新材料：グラフェン上に2次元フィブリン層を作製する技術を開発

研究者はグラフェン上に2次元フィブリン層を作成する方法を開発し、それによってグラフェンのマイクロエレクトロニクス分野での応用潜在力、特にウェアラブルと植込み式健康センサ及び計算分野の記憶トランジスタにおける潜在力を高めた。この革新は無毒、水基と生物互換性のあるシステムを提供し、贅沢な材料とハイテク産業における蚕糸の応用を根本的に変える可能性がある。この研究はシルク集積回路と持続可能な電子ソリューションをさらに推進するための道を開いた。

グラフェン表面に単一のシルクタンパク質分子または「シルクフィブリン」（青色）を堆積させ、周囲に水（緑色と赤色の球体）を取り囲み、原子精度の2次元（2 D）シートに成長させた。シルク繊維の制御可能な堆積は、大量の生分解可能な電子機器をもたらす可能性がある。出所：マイクPerkins｜太平洋北西国家実験室

何千年もの間、シルクは価値のある商品だったが、それでも人々に驚きを与えてきた。今では、マイクロエレクトロニクスと計算の新しい方向を切り開くのに役立つかもしれません。

シルクタンパク質は電子製品の設計に応用されているが、現在のところその応用は限られており、一部の原因はシルク繊維がめちゃくちゃなパスタ状繊維であることである。

現在、米エネルギー省北西太平洋国立実験室（PNNL）の科学者が率いる研究チームは、このような葛藤を飼いならしている。彼らは今日（9月18日）『科学的進展』（ScienceAdvances）誌は、グラフェン（優れた導電性を有する炭素系材料）上に均一な2次元（2 D）シルクタンパク質断片（または「フィブリン」）層が形成されていることを報告している。

グラフェン上に均一に自己集合したシルクセルロースの原子間力顕微鏡画像。ソース：James De Yoreo｜太平洋北西国家実験室

「これらの成果は繰り返し可能なフィブロイン自己集合方法を提供し、これはフィブロイン系電子デバイスの設計と製造にとって極めて重要である」と、同研究の第1著者である石晨陽氏は述べた。「注目すべきは、このシステムは無毒で水基であり、生物学的互換性にとって重要であることです」

この材料の組み合わせであるグラフェン上のシリコンは、敏感で調整可能なトランジスタを形成することができ、マイクロエレクトロニクス業界にとって非常に必要なウェアラブルおよびインプラント健康センサである。PNNL チームはまた、ニューラルネットワークを計算するための記憶トランジスタまたは「記憶抵抗器」のキーエレメントとしての潜在力を見た。ニューラルネットワークに使用される記憶障害器は、コンピュータに人間の脳の働き方を模倣させることができる。

数世紀以来、シルク生産は中国で厳守されてきた秘密であり、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、中東に伝わり、最終的にはヨーロッパに広まった。中世になると、シルクは身分の象徴となり、ヨーロッパ市場で夢にまで見た商品となった。今でも絹は贅沢と地位につながっている。

シルク織物の弾性、耐久性、強度などの基本的な特性は世界的に評価され、先進的な材料分野に広く応用されている。

PNNLバートル研究員、ワシントン大学材料科学・工学教授兼化学教授James De Yoreo「絹糸を用いた電子信号の変調の研究は多いが、絹糸タンパク質は天然無秩序であるため、限られた制御しかできない。そのため、材料の表面成長を制御する上での経験から、『もし私たちがより良い界面を作ることができたら？』と考えている」と述べた。

このため、研究チームは反応条件を慎重に制御し、単一フィラメント繊維を正確な方法で水系に添加した。正確な実験室条件を通じて、研究チームは高度に秩序化された2次元タンパク質層を獲得し、これらのタンパク質は正確な平行βシート状に配列され、これは自然界で最も一般的なタンパク質形状の1つである。さらなるイメージング研究と補充理論計算により、薄糸層は天然糸の特徴を持つ安定した構造を採用していることが明らかになった。この規模の電子構造--厚さ未満DNA鎖の半分--バイオエレクトロニクス産業で随所に見られる微細化を支援している。

　　De Yoreo 「この材料自体には私たちが言っているような電界効果があります。これはトランジスタスイッチであり、信号に応じてオンまたはオフにすることができることを意味します。抗体を追加すると、ターゲットのタンパク質が結合すると、トランジスタの切り替え状態になります」と話しています。

実際、研究者はこの出発材料と技術を利用して自分たちのレーヨンを製造し、その中に機能性タンパク質を添加して実用性と特異性を高める計画を立てている。

この研究は機能電子部品上の制御可能な層状絹糸の第一歩を踏み出した。将来の研究の鍵となる分野は、蚕糸集積回路の安定性と導電性の向上、および生分解可能な電子製品における蚕糸の潜在力の探索、それによって電子製造に緑色化学をより多く使用することである。