실크 & 그래핀: 전자의 미래를 회전시키다.

이 혁신은 무독성, 수성, 생체적합성 시스템을 제공하여 고급 소재와 하이테크 산업에서 실크의 응용 분야에 혁명을 일으킬 가능성이 있다. 이 연구는 실크 집적 회로와 지속 가능한 전자 솔루션의 추가 발전을 위한 길을 열어준다.

마이크로 전자공학에서 실크의 혁신적인 용도

수천 년 동안 매우 귀중한 상품이었던 실크는 계속해서 놀라움을 선사한다. 이제 실크는 마이크로 전자공학과 컴퓨팅에 완전히 새로운 방향을 제시할 수 있다.

실크 단백질은 디자이너 전자 제품에 배치되었지만 현재는 실크 섬유가 스파게티와 같은 엉킴이 지저분하기 때문에 사용이 제한적이다.

이제 에너지부 태평양 북서부 국립 연구소(PNNL)의 과학자들이 이끄는 연구팀은 이 엉킴을 길들였다. 그들은 저널 Science Advances에 우수한 전기 전도성으로 유용한 탄소 기반 소재인 그래핀에 실크 단백질 조각 또는 "피브로인"의 균일한 2차원(2D) 층을 만들었다고 보고했다.

그래핀 위에서 균일하게 자체 조립되는 실크 피브로인의 원자간력 현미경 이미지. 출처: James De Yoreo | Pacific Northwest National Laboratory

"이러한 결과는 실크 기반 전자 장치를 설계하고 제작하는 데 필수적인 실크 단백질 자체 조립을 위한 재현 가능한 방법을 제공한다."라고 연구의 수석 저자인 천양 시Chenyang Shi)가 말했다. "이 시스템은 무독성이고 수성이라는 점에 유의하는 것이 중요하다. 이는 생체 적합성에 필수적이다."

이러한 재료 조합(실크-그래핀)은 마이크로 전자 산업에서 착용형 및 이식형 건강 센서에 매우 원하는 민감하고 조정 가능한 트랜지스터를 형성할 수 있다. PNNL 팀은 또한 신경망을 컴퓨팅하는 메모리 트랜지스터 또는 "멤리스터"의 핵심 구성 요소로 사용할 수 있는 잠재력을 보고 있다. 신경망에 사용되는 멤리스터를 사용하면 컴퓨터가 인간의 뇌가 기능하는 방식을 모방할 수 있다.

실크의 역사적 및 현대적 중요성

수세기 동안 누에 실크 생산은 중국에서 엄격히 보호되는 비밀이었지만, 그 명성은 유명한 실크로드 무역로를 통해 인도, 중동, 결국 유럽으로 퍼졌다. 중세 시대가 되자 실크는 유럽 시장에서 지위 상징이자 탐내는 상품이 되었다. 오늘날에도 실크는 사치와 지위와 관련이 있다.

실크 직물을 세계적으로 유명하게 만드는 기본 속성인 탄력성, 내구성, 강도로 인해 고급 소재 응용 분야에서 사용하게 되었다.

실크 전자 분야의 혁신과 미래 방향

"실크를 전자 신호를 변조하는 방법으로 사용하는 연구가 많이 있었지만, 실크 단백질은 자연적으로 무질서하기 때문에 가능한 제어에는 한계가 있다." PNNL의 바텔 펠로우이자 워싱턴 대학교에서 재료 과학 및 공학과 화학 교수로 이중 임명된 제임스 드 요레오(James De Yoreo)가 말했다. "그래서 표면에서 재료 성장을 제어하는 ​​경험을 바탕으로 '더 나은 인터페이스를 만들 수 있다면 어떨까?'라고 생각했다."

이를 위해 팀은 반응 조건을 신중하게 제어하여 개별 실크 섬유를 물 기반 시스템에 정밀한 방식으로 추가했다. 정밀한 실험실 조건을 통해 팀은 자연에서 가장 흔한 단백질 모양 중 하나인 정밀한 평행 β-시트에 포장된 고도로 조직화된 2D 단백질 층을 얻었다. 추가 이미징 연구와 보완적인 이론적 계산을 통해 얇은 실크 층이 천연 실크에서 발견되는 특징이 있는 안정적인 구조를 채택한다는 것을 보여주었다. DNA 가닥의 절반보다 얇은 이 규모의 전자 구조는 생체 전자 산업의 모든 곳에서 발견되는 소형화를 지원한다.

"이러한 유형의 재료는 우리가 전계 효과라고 부르는 것에 적합하다."라고 드 요레오는 말했다. "즉, 신호에 응답하여 켜지거나 꺼지는 트랜지스터 스위치이다. 예를 들어 항체를 추가하면 표적 단백질이 결합하면 트랜지스터가 상태를 전환한다."

실제로 연구자들은 이 시작 재료와 기술을 사용하여 유용성과 특이성을 향상시키기 위해 기능성 단백질을 추가한 자체 인공 실크를 만들 계획이다.

이 연구는 기능성 전자 부품에 대한 제어된 실크 층을 형성하는 첫 번째 단계를 나타낸다. 미래 연구의 핵심 분야로는 실크 집적 회로의 안정성과 전도도를 개선하고 생분해성 전자 제품에서 실크의 잠재력을 탐구하여 전자 제조에서 친환경 화학의 사용을 늘리는 것이 있다.

이미지 설명: 개별 실크 단백질 분자 또는 "실크 피브로인"(파란색)은 물(녹색 및 빨간색 구체)로 둘러싸인 그래핀 표면에 증착되어 원자적으로 정밀한 2차원(2D) 시트로 성장한다. 실크 섬유의 제어된 증착은 수많은 생분해성 전자 장치로 이어질 수 있다. 출처: Mike Perkins | Pacific Northwest National Laboratory