单个蚕丝蛋白分子或"蚕丝纤维蛋白"（蓝色）沉积在石墨烯表面，周围环绕着水（绿色和红色球体），并生长成原子精度的二维（2D）薄片。蚕丝纤维的可控沉积可能带来大量可生物降解的电子设备。资料来源：Mike Perkins | 太平洋西北国家实验室
几千年来，丝绸一直是价值不菲的商品，但它仍然给人们带来惊喜。现在，它可能有助于开创微电子学和计算的全新方向。
虽然蚕丝蛋白已被应用于设计电子产品中，但目前其应用还很有限，部分原因是蚕丝纤维是一种乱七八糟的意大利面条状纤维。
现在，由美国能源部西北太平洋国家实验室（PNNL）科学家领导的研究小组已经驯服了这种纠结。他们今天（9 月 18 日）在《科学进展》（Science Advances）杂志上报告说，他们已经在石墨烯（一种具有出色导电性能的碳基材料）上形成了一层均匀的二维（2D）蚕丝蛋白片段（或称"纤维蛋白"）层。
石墨烯上均匀自组装的蚕丝纤维素的原子力显微镜图像。图片来源：James De Yoreo | 太平洋西北国家实验室
"这些成果提供了一种可重复的丝蛋白自组装方法，这对于设计和制造丝基电子器件至关重要，"该研究的第一作者石晨阳说。"值得注意的是，这一系统是无毒和水基的，这对生物兼容性至关重要。"
这种材料组合--石墨烯上的硅--可以形成一种灵敏、可调的晶体管，是微电子行业非常需要的可穿戴和植入式健康传感器。PNNL 团队还看到了它们作为记忆晶体管或"忆阻器"的关键元件用于计算神经网络的潜力。神经网络中使用的忆阻器可以让计算机模仿人脑的运作方式。
几个世纪以来，蚕丝生产在中国一直是一个严守的秘密，而它的名声则通过著名的丝绸之路贸易路线传播到印度、中东，并最终传播到欧洲。到了中世纪，丝绸已成为一种身份的象征和欧洲市场上梦寐以求的商品。时至今日，丝绸仍与奢华和地位联系在一起。
丝绸织物的弹性、耐用性和强度等基本特性使其享誉全球，并被广泛应用于先进材料领域。
PNNL 巴特尔研究员、华盛顿大学材料科学与工程教授兼化学教授 James De Yoreo 说："利用蚕丝调制电子信号的研究很多，但由于蚕丝蛋白质天然无序，因此只能进行有限的控制。因此，凭借我们在控制材料表面生长方面的经验，我们在想，'如果我们能制造出更好的界面呢？'"
为此，研究小组精心控制了反应条件，以精确的方式将单根丝纤维加入到水基体系中。通过精确的实验室条件，研究小组获得了高度有序的二维蛋白质层，这些蛋白质以精确的平行β片状排列，这是自然界中最常见的蛋白质形状之一。进一步的成像研究和补充理论计算表明，薄丝层采用了一种稳定的结构，具有天然丝的特征。这种规模的电子结构--厚度不到 DNA 链的一半--为生物电子工业中随处可见的微型化提供了支持。
De Yoreo 说："这种材料本身具有我们所说的场效应。这意味着它是一个晶体管开关，可以根据信号打开或关闭。如果你在其中添加抗体，那么当目标蛋白质结合时，就会导致晶体管切换状态。"
事实上，研究人员正计划利用这种起始材料和技术来制造他们自己的人造丝，并在其中添加功能性蛋白质，以提高其实用性和特异性。
这项研究迈出了在功能电子元件上可控分层蚕丝的第一步。未来研究的关键领域包括提高蚕丝集成电路的稳定性和导电性，以及探索蚕丝在可生物降解电子产品中的潜力，从而在电子制造中更多地使用绿色化学。