Na duizenden jaren als een zeer waardevolle grondstof, blijft zijde verrassen. Nu kan het een geheel nieuwe richting inluiden voor micro-elektronica en computing.
Hoewel zijdeproteïne wordt gebruikt in designelektronica, is het gebruik ervan momenteel beperkt, deels omdat zijdevezels bestaan uit een rommelige wirwar van spaghetti-achtige draden.
Nu heeft een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy de wirwar getemd. verslag in het tijdschrift Wetenschappelijke vooruitgang dat ze een uniforme tweedimensionale (2D) laag van zijdeproteïnefragmenten hebben bereikt, of “fibroïnen,” op grafeen, een koolstofgebaseerd materiaal dat nuttig is vanwege zijn uitstekende elektrische geleidbaarheid.
“Deze resultaten bieden een reproduceerbare methode voor de zelfassemblage van zijdeproteïnen, die essentieel is voor het ontwerpen en fabriceren van elektronica op basis van zijde.” zei Chenyang Shi, hoofdauteur van de studie. “Het is belangrijk om te weten dat dit systeem niet giftig is en op waterbasis is, wat cruciaal is voor de biocompatibiliteit.”
Deze combinatie van materialen – zijde-op-grafeen – zou een gevoelige, afstembare transistor kunnen vormen die zeer gewild is door de micro-elektronica-industrie voor draagbare en implanteerbare gezondheidssensoren. Het PNNL-team ziet ook potentieel voor hun gebruik als een belangrijk onderdeel van geheugentransistoren of “memristoren,” in neurale computernetwerken. Memristors, gebruikt in neurale netwerken, stellen computers in staat om na te bootsen hoe het menselijk brein functioneert.
De zijderoute
Eeuwenlang was de productie van zijderupszijde een goed bewaard geheim in China, terwijl de roem ervan zich verspreidde via de beroemde Zijderoute naar India, het Midden-Oosten en uiteindelijk Europa. In de middeleeuwen was zijde een statussymbool en een begeerd handelsartikel geworden op de Europese markten. Zelfs vandaag de dag wordt zijde geassocieerd met luxe en status.
Dezelfde onderliggende eigenschappen die zijdestof wereldberoemd maken (elasticiteit, duurzaamheid en sterkte) hebben geleid tot het gebruik ervan in geavanceerde materiaaltoepassingen.
“Er is veel onderzoek gedaan naar het gebruik van zijde als een manier om elektronische signalen te moduleren, maar omdat zijdeproteïnen van nature ongeordend zijn, is er slechts een beperkte mate van controle mogelijk.” aldus James De Yoreo, een Battelle Fellow bij PNNL met een dubbele aanstelling als hoogleraar materiaalkunde en -techniek en als hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Washington.
“Met onze ervaring in het beheersen van de groei van materialen op oppervlakken dachten we: ‘Wat als we een betere interface kunnen maken?'”
Om dat te doen, controleerde het team de reactieomstandigheden zorgvuldig, door individuele zijdevezels op een precieze manier toe te voegen aan het op water gebaseerde systeem. Door middel van nauwkeurige laboratoriumomstandigheden bereikte het team een zeer georganiseerde 2D-laag van eiwitten, verpakt in precieze parallelle β-sheets, een van de meest voorkomende eiwitvormen in de natuur.
Verdere beeldvormingsstudies en aanvullende theoretische berekeningen lieten zien dat de dunne zijdelaag een stabiele structuur aanneemt met kenmerken die te vinden zijn in natuurlijke zijde. Een elektronische structuur op deze schaal — minder dan de helft van de dikte van een DNA-streng — ondersteunt de miniaturisatie die overal in de bio-elektronica-industrie te vinden is.
“Dit type materiaal leent zich voor wat wij veldeffecten noemen,” zei De Yoreo. “Dit betekent dat het een transistorschakelaar is die aan of uit gaat als reactie op een signaal. Als je er bijvoorbeeld een antilichaam aan toevoegt, dan zorgt dat ervoor dat een transistor van toestand verandert als een doelwitproteïne zich bindt.”
De onderzoekers zijn van plan om dit uitgangsmateriaal en deze techniek te gebruiken om hun eigen kunstmatige zijde te creëren, waaraan functionele eiwitten worden toegevoegd om de bruikbaarheid en specificiteit ervan te verbeteren.
Deze studie vertegenwoordigt de eerste stap in gecontroleerde zijdelagen op functionele elektronische componenten. Belangrijke gebieden van toekomstig onderzoek zijn onder meer het verbeteren van de stabiliteit en geleidbaarheid van zijde-geïntegreerde circuits en het verkennen van het potentieel van zijde in biologisch afbreekbare elektronica om het gebruik van groene chemie in elektronische productie te vergroten.
Meer informatie:
Chenyang Shi et al., Tweedimensionale zijde, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI: 10.1126/sciadv.ado4142. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado4142
Informatie over het tijdschrift:
Wetenschappelijke vooruitgang
Geleverd door Pacific Northwest National Laboratory