Science Advances: На горизонте замаячили гибкие микросхемы из шелка и графена

Тысячелетиями шелк был ценным товаром, и он продолжает удивлять. Теперь его используют в новом направлении микроэлектроники.

Белок шелка применяли и в дизайнерской электронике, но его использование ограничено. Волокна шелка похожи на спагетти и представляют собой беспорядочный клубок нитей.

Исследовательская группа во главе с учеными Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории при Министерстве энергетики США смогла решить эту проблему. В журнале Science Advances они сообщили, что им удалось создать равномерный двумерный слой фрагментов белка шелка на графене — материале с превосходной электропроводностью.

Чэньян Ши, ведущий автор исследования, говорит, что результаты работы позволяют воспроизвести метод самосборки белков шёлка. Этот метод необходим для разработки и изготовления электроники на основе шёлка.

Система нетоксична и изготовлена на водной основе, поэтому она биосовместима.

Комбинация материалов — серебро на графене — может сформировать чувствительный настраиваемый транзистор. Такие транзисторы востребованы в микроэлектронной промышленности для носимых и имплантируемых датчиков здоровья.

Команда PNNL также видит потенциал использования комбинации материалов в качестве ключевого компонента транзисторов памяти или «мемристоров» в вычислительных нейронных сетях. Мемристоры позволяют компьютерам имитировать работу человеческого мозга.

Шелковый путь

Производство шёлка из шелкопряда было секретом в Китае. Молва о шёлке распространялась по торговым маршрутам Шелкового пути в Индию, на Ближний Восток и в Европу.

В Средние века шёлк стал символом статуса и желанным товаром в Европе. Он и сегодня ассоциируется с роскошью.

Благодаря эластичности, долговечности и прочности шёлковой ткани её используют в передовых материалах.

Джеймс Де Йорео из Battelle в PNNL и профессор материаловедения и инженерии, а также химии в Университете Вашингтона рассказал, что было проведено много исследований по использованию шелка для модуляции электронных сигналов. Но поскольку белки шелка неупорядочены по своей природе, управлять ими можно лишь ограниченно.

Поэтому мы подумали: «А что, если мы сможем создать лучший интерфейс?»

Команда контролировала условия реакции и добавляла шёлковые волокна в водную систему. Это позволило создать двумерный слой белков, упакованных в параллельные β-листы.

Дальнейшие исследования показали, что тонкий шёлковый слой имеет стабильную структуру. Электронная структура такого масштаба поддерживает миниатюризацию, которая используется в биоэлектронной промышленности.

Этот материал реагирует на внешние воздействия, как транзисторный переключатель, который включается или выключается в ответ на сигнал. Если добавить в него, например, антитело, то при связывании с целевым белком он изменит своё состояние.

Исследователи хотят создать искусственный шёлк, добавляя в него функциональные белки. Это сделает материал более полезным и специфичным.

Это исследование — первый шаг к тому, чтобы наносить шёлк на электронные компоненты. В будущем планируют улучшить стабильность и проводимость таких схем, а также изучить возможность использования биоразлагаемой электроники из шёлка. Это расширит применение экологичных материалов в производстве электроники.

18.09.2024