近日，bat365在线平台官方网站、近海海洋环境科学国家重点实验室刘向阳教授课题组与合作者在石墨烯诱导蚕丝分子二维结晶方面取得了重要进展。相关研究成果以”Two-dimensional silk”为题发表在Science Advances期刊上。该研究为精确设计和规模化制造柔性电子器件开辟了全新的方向。

图1 蚕丝分子在石墨烯表面自组装示意图

数千年来作为珍贵商品的丝绸，依然不断带来惊喜，将为微电子和计算领域开辟全新方向。尽管蚕丝蛋白在开发新型柔性电子器件中展现了巨大的应用前景，但其在规模化制造高精度柔性电子方面仍面临诸多挑战，部分原因在于丝纤维如同意大利面条般杂乱无章。

我院刘向阳教授团队与美国能源部太平洋西北国家实验室(以下简称PNNL国家实验室)的科学家合作，利用生长半导体芯片类似的外延生长原理，成功理顺了这种混乱。研究团队充分利用了原子力显微镜、纳米傅里叶变换红外光谱和分子动力学模拟等前沿技术，控制并观察到蚕丝蛋白分子在超平整石墨烯表面的引导下形成有序的单分子层二维晶体结构，在石墨烯上成功实现了均匀的二维丝蛋白片层。

图2 蚕丝纤维在石墨烯上均匀自组装的原子力显微镜图像

该研究成果提供了精确可控的丝蛋白自组装了方法，对于设计和规模化制造蚕丝柔性电子器件具有里程碑的意义。蚕丝+石墨烯器件无毒且亲水、亲动物细胞，确保了其生物相容性，使其能够安全植入体内，包括大脑等复杂器官。丝蛋白与石墨烯的结合，有望形成灵敏、可调控的类神经元计算元件，适用于可穿戴和植入式健康传感器。这些材料或将成为计算神经网络中记忆晶体管或“忆阻器”的关键组件。忆阻器可用于神经网络，帮助计算机模拟人类大脑的功能。

该蚕丝基神经计算元件具备场效应和记忆双重功能，可作为神经元晶体管开关和记忆单元，在外加电场或生理信号刺激时切换状态。该特性能够触发类神经元晶体管的状态变化，实现体内实时计算。由于人类脑神经元能与蚕丝类神经计算单元直接结合，这为人工智能与人类智能信息直接交互创造了条件。

研究人员利用上述技术与材料，制造可植入人工蚕丝蛋白电子元器件，并在其中添加功能性纳米粒子或其他功能蛋白，以增强和拓展其实用性和特异性。这项研究代表了在功能性电子元件中控制丝蛋白层堆叠的第一步。未来研究的关键领域包括提升丝蛋白集成电路的稳定性和导电性，并探索丝蛋白在可降解电子产品中的潜力，推动绿色化学在电子制造中的应用。

该论文的第一作者为史晨阳博士（刘向阳教授2021届博士毕业生，现就职于美国PNNL国家实验室），通讯作者为bat365在线平台官方网站刘向阳教授、美国PNNL国家实验室Jim De Yoreo教授和张帅博士。

该研究团队还在 Advanced Materials期刊上发表了与上述研究紧密相关的论文“New silk road: from mesoscopic reconstruction/functionalization to flexible meso‐electronics/photonics based on cocoon silk materials”。

论文来源及相关文献：

（1）Chenyang Shi, Marlo Zorman, Xiao Zhao, Miquel B Salmeron, Jim Pfaendtner, Xiang Yang Liu*, Shuai Zhang*, James De Yoreo*（2024), Two-dimensional silk, Science Advances, 10, DOI: 10.1126/sciadv.ado4142

（2）Chenyang Shi, Fan Hu, Ronghui Wu, Zijie Xu, Guangwei Shao, Rui Yu*, Xiang Yang Liu*，New silk road: from mesoscopic reconstruction/functionalization to flexible meso‐electronics/photonics based on cocoon silk materials, Advanced Materials 33, 2005910 (2021).

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado4142

https://doi.org/10.1002/adma.202005910Citations: 31

供稿：刘向阳课题组

编辑：苏颖 朱佳

审核：宋忠长、徐鹏、陈向柳