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2024-09-18 20:57:12
何千年もの間、非常に貴重な商品であった絹は、今も人々を驚かせ続けています。そして今、絹はマイクロエレクトロニクスとコンピューティングのまったく新しい方向を導く一助となるかもしれません。
シルクプロテインはデザイナー向け電子機器に利用されているが、シルク繊維がスパゲッティのように絡まり乱雑になっているため、その使用は現時点では限られている。
現在、エネルギー省のパシフィック・ノースウェスト国立研究所の科学者が率いる研究チームが、このもつれを解き放った。彼らはジャーナルに報告している。 科学の進歩 研究者らは、優れた電気伝導性を持つ炭素系材料であるグラフェン上に、絹タンパク質断片、つまり「フィブロイン」の均一な二次元 (2D) 層を形成することに成功した。
「これらの結果は、シルクベースの電子機器の設計と製造に不可欠な、シルクタンパク質の自己組織化の再現可能な方法を提供する」と研究の主執筆者であるChenyang Shi氏は述べた。「このシステムは無毒で水性であり、生体適合性にとって非常に重要であることに留意する必要がある。」
この素材の組み合わせ (シルクとグラフェン) は、マイクロエレクトロニクス業界がウェアラブルおよび埋め込み型健康センサー向けに強く望んでいる、感度が高く調整可能なトランジスタを形成できる可能性があります。PNNL チームは、このトランジスタを、コンピューティング ニューラル ネットワークのメモリ トランジスタ、つまり「メモリスタ」の主要コンポーネントとして使用する可能性も見出しています。ニューラル ネットワークで使用されるメモリスタにより、コンピューターは人間の脳の機能を模倣できます。
シルクロード
数世紀にわたり、中国では蚕糸生産は厳重に守られた秘密でしたが、その名声は有名なシルクロード貿易ルートを通じてインド、中東、そして最終的にはヨーロッパにまで広まりました。中世までに、シルクはステータスシンボルとなり、ヨーロッパ市場で切望される商品となりました。今日でも、シルクは贅沢とステータスと結び付けられています。
絹織物が世界に知られるようになったのは、その基本的な特性、つまり弾力性、耐久性、強度が理由であり、そのため絹織物は先端材料の用途にも利用されています。
「電子信号を調整する方法としてシルクを使った研究は数多く行われてきましたが、シルクのタンパク質は本来無秩序なので、制御できる範囲は限られています」と、PNNLのバテルフェローで、ワシントン大学の材料科学工学教授と化学教授を兼任するジェームズ・デ・ヨレオ氏は語る。「そこで、表面での材料成長の制御に関する経験を生かして、『もっと良いインターフェースを作れないか』と考えました」
そのために、研究チームは反応条件を注意深く制御し、個々のシルク繊維を水ベースのシステムに正確に添加しました。精密な実験室条件により、研究チームは、自然界で最も一般的なタンパク質形状の 1 つである、正確に平行な β シートに詰め込まれた、高度に組織化された 2D タンパク質層を実現しました。さらに画像研究と補完的な理論計算を行ったところ、薄いシルク層は天然シルクに見られる特徴を備えた安定した構造をとることがわかりました。このスケールの電子構造 (DNA 鎖の半分以下の厚さ) は、バイオエレクトロニクス業界のあらゆる場所で見られる小型化をサポートします。
「このタイプの材料は、いわゆる電界効果に向いています」とデ・ヨレオ氏は言う。「つまり、信号に反応してオンまたはオフになるトランジスタスイッチです。これに例えば抗体を加えると、標的タンパク質が結合するとトランジスタの状態が切り替わります。」
実際、研究者たちはこの出発材料と技術を使って、機能性タンパク質を添加してその有用性と特異性を高めた独自の人工シルクを作る計画を立てている。
この研究は、機能的な電子部品上に制御されたシルク層を形成するための第一歩です。今後の研究の主要分野には、シルク集積回路の安定性と導電性の向上、および電子機器製造におけるグリーンケミストリーの利用を増やすための生分解性電子機器におけるシルクの可能性の探究が含まれます。
De Yoreo 氏に加え、PNNL の材料科学者 Shuai Zhang 氏と中国厦門市の厦門大学の Xiang Yang Liu 氏がこの研究の共同主執筆者です。その他の協力者には、シアトルのワシントン大学の Marlo Zorman 氏、ローレンス・バークレー国立研究所の Xiao Zhao 氏と Miquel B. Salmeron 氏、ノースカロライナ州立大学の Jim Pfaendtner 氏が含まれます。
この研究は、米国エネルギー省科学局基礎エネルギー科学プログラムによって支援されました。分子動力学シミュレーションと走査型ケルビンプローブ顕微鏡測定は、ワシントン大学の CSSAS: スケールを超えた合成科学センターを通じて、米国エネルギー省 BES エネルギーフロンティア研究センター プログラムによって支援されました。
#シルクとグラフェンで作られたフレキシブル回路が間もなく登場