Dank der innovativen Verwendung biologischer Materialien erlebt die Elektronikindustrie derzeit einen tiefgreifenden Wandel. Seide, die seit Jahrtausenden wegen ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften geschätzt wird, ist Gegenstand bahnbrechender Forschung, die das Design mikroelektronischer Komponenten grundlegend verändern könnte.
Seide, Vorfahrenmaterialfindet nun seinen Platz im Bereich der fortgeschrittenen Elektronik. Bisher war seine Verwendung aufgrund der chaotischen Struktur der seidigen Fasern eingeschränkt. Ein Forscherteam des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) des US-Energieministeriums hat dieses große Hindernis überwunden.
Ihre Ergebnisse zeigen die Machbarkeit der Schaffung eines gleichmäßige zweidimensionale Schicht aus Seidenproteinfragmenten (Fibroine) auf Graphen, einem Kohlenstoffmaterial, das für seine hervorragende elektrische Leitfähigkeit bekannt ist. Die Verbindung von Seide und Graphen könnte zur Herstellung empfindlicher und einstellbarer Transistoren genutzt werden, die in der Mikroelektronikindustrie besonders für tragbare und implantierbare Gesundheitssensoren begehrt sind.
Ein reproduzierbarer und biokompatibler Ansatz
Chenyang Shi, Hauptautor der Studie, betonte die Bedeutung ihrer Arbeit: „Unsere Methode bietet einen reproduzierbaren Ansatz für die Selbstassemblierung von Seidenproteinen, einem wesentlichen Element für die Entwicklung und Herstellung seidenbasierter Elektronik.„Er fügte hinzu: „Die ungiftige und wässrige Beschaffenheit unseres Systems ist für die Gewährleistung der Biokompatibilität von entscheidender Bedeutung.»
Das PNNL-Team erwägt außerdem, diese Technologie als Schlüsselkomponente von Speichertransistoren oder „Memristoren» in neuronalen Computernetzwerken. Memristoren ermöglichen es Computern, die Funktion des menschlichen Gehirns zu reproduzieren, was neue Möglichkeiten im Bereich der künstlichen Intelligenz eröffnet.
Präzise Steuerung für anspruchsvolle Anwendungen
James De Yoreo, Battelle-Forscher am PNNL und Professor an der University of Washington, erläuterte die Herausforderungen: „In vielen Forschungsarbeiten wurde Seide zur Modulation elektronischer Signale eingesetzt, die natürliche Unordnung der Seidenproteine beschränkte jedoch die möglichen Kontrollmöglichkeiten.„Er fuhr fort: „Basierend auf unserer Erfahrung mit der Kontrolle des Materialwachstums auf Oberflächen haben wir versucht, eine effizientere Schnittstelle zu schaffen.“
Dem Team gelang es, die Reaktionsbedingungen sorgfältig zu kontrollieren und einzelne Seidenfasern präzise in das wässrige System einzuarbeiten. Unter strengen Laborbedingungen erreichten die Forscher eine hochorganisierte 2D-Schicht von Proteinen, die in präzisen parallelen β-Faltblättern angeordnet sindeine der am weitesten verbreiteten Proteinstrukturen in der Natur.
Diese Studie markiert den Beginn einer präzisen Kontrolle über die Anordnung von Seidenschichten auf funktionalen elektronischen Komponenten. Die Forscher planen, dieses grundlegende Material und diese Technik zu nutzen, um ihre eigene Kunstseide zu entwickeln, die mit funktionalen Proteinen angereichert wird, um ihre Nützlichkeit und Spezifität zu erhöhen.
Zu den zukünftigen Forschungsschwerpunkten gehören Verbesserung der Stabilität und Leitfähigkeit seidenbasierter integrierter Schaltkreisesowie die Erforschung des Potenzials von Seide in biologisch abbaubarer Elektronik. Diese Fortschritte könnten den Einsatz grüner Chemie in der Elektronikfertigung fördern und so zu einer nachhaltigeren und umweltfreundlicheren Industrie beitragen.
Bildunterschrift: Einzelne Moleküle von Seidenproteinen oder „Seidenfibroinen“ (blau) werden auf einer von Wasser umgebenen Graphenoberfläche (grüne und rote Kugeln) abgelagert und wachsen zu einer atomar präzisen zweidimensionalen (2D) Schicht heran. Die kontrollierte Ablagerung von Seidenfasern könnte zu einer Vielzahl biologisch abbaubarer elektronischer Geräte führen. Bildnachweis: (Grafische Darstellung von Mike Perkins | Pacific Northwest National Laboratory)
Artikel: „Zweidimensionale Seide“ – DOI: 10.1126/sciadv.ado4142
