„Wundermaterial“ Graphen Flexible Schaltkreise aus Seide und Graphen

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Durch die erstmalige Kontrolle der Nanostruktur von Seidenproteinen ebnen Wissenschaftler des Pacific Northwest National Laboratory den Weg für fortschrittliche mikroelektronische und computergestützte Anwendungen.

Seide, ein Rohstoff mit langer Geschichte, und könnte bald die Mikroelektronik revolutionieren. Während Seidenproteine bereits in Designer-Elektronik verwendet wurden, war ihr Einsatz bisher durch ihre unstrukturierte Form eingeschränkt. Ein Forscherteam des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hat nun eine gleichmäßige zweidimensionale Schicht aus Seidenproteinfragmenten auf dem leitfähigen Material Graphen entwickelt, wie sie in der Zeitschrift 'Science Advances' berichten. Dies könnte neue Möglichkeiten für die Elektronik eröffnen.

Selbstmontage von Seidenproteinen

„Die Ergebnisse liefern eine reproduzierbare Methode für die Selbstmontage von Seidenproteinen, die für die Entwicklung und Herstellung von Elektronik auf Seidenbasis unerlässlich ist“, so Chenyang Shi, der Hauptautor der Studie. „Es ist wichtig zu erwähnen, dass dieses System ungiftig und wasserbasiert ist, was für die Biokompatibilität entscheidend ist.“

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Die Materialkombination, Seide auf Graphen, könnte einen empfindlichen, abstimmbaren Transistor bilden, der von der Mikroelektronikindustrie für tragbare und implantierbare Sensoren dringend benötigt wird. Das PNNL-Team sieht auch ein Potenzial für ihre Verwendung als Schlüsselkomponente von Speichertransistoren oder Memristoren in neuronalen Computernetzen. Memristoren ermöglichen es Computern, die Funktionsweise des menschlichen Gehirns zu imitieren.

Die Seidenstraße

Jahrhundertelang war die Produktion von Seidenraupenseide in China ein streng gehütetes Geheimnis, während sich ihr Ruhm über die berühmten Handelswege der Seidenstraße nach Indien, in den Nahen Osten und schließlich nach Europa verbreitete. Im Mittelalter wurde Seide zu einem Statussymbol und zu einer begehrten Handelsware auf den europäischen Märkten. Auch heute noch wird Seide mit Luxus und Status assoziiert.

Die gleichen grundlegenden Eigenschaften, die Seidengewebe weltberühmt machen, Elastizität, Haltbarkeit und Festigkeit, haben dazu geführt, dass sie in modernen Materialanwendungen eingesetzt wird. „Es wurde viel mit Seide geforscht, um elektronische Signale zu modulieren, aber da Seidenproteine von Natur aus ungeordnet sind, war nur eine begrenzte Kontrolle möglich“, sagte James De Yoreo, Battelle Fellow am PNNL und Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen sowie für Chemie an der University of Washington.

„Mit unserer Erfahrung in der Kontrolle des Materialwachstums auf Oberflächen dachten wir: 'Was wäre, wenn wir eine bessere Schnittstelle schaffen könnten?'“ Zu diesem Zweck kontrollierte das Team die Reaktionsbedingungen sorgfältig und fügte dem wasserbasierten System einzelne Seidenfasern auf präzise Weise hinzu. Durch genaue Laborbedingungen erreichte das Team eine hoch organisierte 2D-Schicht aus Proteinen, die in präzise parallele β-Faltblätter gepackt sind, eine der häufigsten Proteinformen in der Natur.

Weitere bildgebende Untersuchungen und ergänzende theoretische Berechnungen zeigten, dass die dünne Seidenschicht eine stabile Struktur mit Merkmalen aufweist, die in natürlicher Seide zu finden sind. Eine elektronische Struktur in diesem Maßstab, weniger als die Hälfte der Dicke eines DNA-Strangs, unterstützt die Miniaturisierung, die überall in der Bioelektronikindustrie zu finden ist.

„Diese Art von Material eignet sich für das, was wir Feldeffekte nennen“, sagte De Yoreo. „Das bedeutet, dass es sich um einen Transistorschalter handelt, der als Reaktion auf ein Signal ein- oder ausgeschaltet wird. Wenn man etwa einen Antikörper hinzufügt und ein Zielprotein bindet, schaltet der Transistor seinen Zustand um.“ In der Tat planen die Forscher, dieses Ausgangsmaterial und diese Technik zu nutzen, um ihre eigene Kunstseide herzustellen, der funktionelle Proteine hinzugefügt werden, um ihre Nützlichkeit und Spezifität zu verbessern.

In Seide integrierte Schaltkreise

Diese Studie ist der erste Schritt zur kontrollierten Aufbringung von Seide auf funktionelle elektronische Komponenten. Zu den Schlüsselbereichen zukünftiger Forschung gehören die Verbesserung der Stabilität und Leitfähigkeit von in Seide integrierten Schaltkreisen und die Erforschung des Potenzials von Seide in biologisch abbaubarer Elektronik, um den Einsatz von grüner Chemie in der Elektronikfertigung zu erhöhen.

Neben De Yoreo waren der PNNL-Materialwissenschaftler Shuai Zhang und Xiang Yang Liu von der Universität Xiamen, China, die Co-Autoren der Studie. Zu den weiteren Autoren gehören Marlo Zorman von der University of Washington, Seattle, Xiao Zhao und Miquel B. Salmeron vom Lawrence Berkeley National Laboratory und Jim Pfaendtner von der North Carolina State University. (sb)

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