신소재: 연구진, 그래핀에 2차원 실크 단백질층 만드는 기술 개발

연구진은 그래핀에 2차원 실크 단백질층을 만드는 방법을 개발해 마이크로전자 분야에서 그래핀의 응용 잠재력을 높였다. 특히 웨어러블 및 이식식 건강 센서와 계산 분야의 저장 트랜지스터에서 그래핀의 응용 잠재력을 높였다.이 혁신은 독성이 없고 수기와 생물이 호환되는 시스템을 제공하여 명주가 사치재료와 첨단과학기술산업에서의 응용을 철저히 개변시킬수 있다.이 연구는 실크 집적 회로와 지속 가능한 전자 솔루션을 더욱 추진할 수 있는 길을 열었다.

단일 실크 단백질 분자나'실크 섬유 단백질'(파란색)은 그래핀 표면에 퇴적해 물 (녹색과 적색 구체) 주위를 둘러싸고 원자 정밀도의 2차원(2D) 얇은 조각으로 자란다.실크 섬유의 제어 가능한 퇴적은 대량의 생분해 가능한 전자 설비를 가져올 수 있다.출처: MikePerkins - 노스 태평양 국립 연구소

수천 년 동안 비단은 줄곧 가치가 적지 않은 상품이었지만, 그것은 여전히 사람들에게 놀라움을 가져다 주었다.이제 마이크로 전자학과 컴퓨팅의 새로운 방향을 개척하는 데 도움이 될 수 있습니다.

비록 실크 단백질은 이미 디자인 전자 제품에 응용되었지만, 현재 그 응용은 아직 매우 제한적인데, 일부 원인은 실크 섬유가 엉망진창인 스파게티 국수 모양의 섬유이기 때문이다.

이제 미국 에너지부 북서태평양국가실험실 (PNNL) 과학자들이 이끄는 연구팀은 이런 갈등을 길들였다.오늘 (9월 18일) 사이언스에서Advances) 잡지에 따르면 그들은 이미 그래핀 (뛰어난 전도성을 가진 탄소 기반 재료) 에 균일한 2D (2D) 실크 단백질 조각 (또는"섬유 단백질") 층을 형성했다.

그래핀에 균일하게 자체 조립된 실크 섬유소의 원자력 현미경 영상.사진 출처: James De Yoreo

"이 성과는 반복 가능한 실크 단백질 자체 조립 방법을 제공하며, 이는 실크 기반 전자 부품을 설계하고 제조하는 데 매우 중요하다"고 이 연구의 제1저자인 스천양은 말했다."이 시스템은 독성과 수반이 없으며 생물 호환성에 매우 중요하다는 점에 주목할 필요가 있습니다."

그래핀에 실리콘을 조합한 이 재료는 민감하고 조정 가능한 트랜지스터를 형성할 수 있으며 마이크로 전자 업계에서 매우 필요한 웨어러블 및 이식식 건강 센서입니다.PNNL 팀은 또한 메모리 트랜지스터 또는 메모리 저항기의 핵심 컴포넌트로서 신경망의 잠재력을 계산하는 데 사용되는 것을 보았습니다.신경망에 사용되는 기억 저항기는 컴퓨터로 하여금 인간의 뇌가 작동하는 방식을 모방하게 할 수 있다.

몇 세기 동안 실크 생산은 중국에서 엄수된 비밀이었고, 그 명성은 유명한 실크로드 무역 루트를 통해 인도, 중동, 그리고 최종적으로 유럽으로 전파되었다.중세에 이르러 비단은 이미 신분의 상징이자 유럽 시장에서 꿈에 그리던 상품이 되었다.오늘날까지도 비단은 여전히 호화와 지위와 연결되어 있다.

실크 직물의 탄성, 내구성, 강도 등 기본적인 특성은 전 세계적으로 명성을 떨치고 있으며 선진 재료 분야에 널리 응용되고 있다.

PNNL 배틀 연구원, 워싱턴 대학 재료 과학 및 공학 교수 겸 화학 교수 James De Yoreo"실크를 이용해 전자신호를 변조하는 연구는 많지만, 실크 단백질은 천연적으로 무질서하기 때문에 제한적으로 제어할 수밖에 없다"며 "그래서 재료의 표면 성장을 제어하는 우리의 경험을 바탕으로'우리가 더 나은 인터페이스를 만들 수 있다면?'

이를 위해 연구팀은 반응 조건을 정교하게 제어해 단일 실크 섬유를 수기 체계에 정밀하게 넣었다.정확한 실험실 조건을 통해 연구팀은 자연계에서 가장 흔한 단백질 모양 중 하나인 정확한 평행 베타 조각 형태로 배열된 고도의 질서 있는 2차원 단백질층을 확보했다.진일보한 영상 연구와 보충 이론 계산에 의하면 얇은 실크층은 안정적인 구조를 사용하고 천연 실크의 특징을 가진다.이러한 규모의 전자 구조 - 두께가 낮음DNA 체인의 절반 - 생체 전자 산업에서 쉽게 볼 수 있는 미세화를 지원합니다.

　　De Yoreo "이 재료 자체는 우리가 말하는 필드 효과를 가지고 있다.이것은 신호에 따라 켜거나 끌 수 있는 트랜지스터 스위치라는 것을 의미한다.여기에 항체를 추가하면 대상 단백질이 결합할 때 트랜지스터 전환 상태가 된다"고 말했다.

실제로 연구원들은 이 시작 재료와 기술을 이용해 자체 레이온을 만들고 기능성 단백질을 첨가해 실용성과 특이성을 높일 계획이다.

이 연구는 기능 전자 부품에서 계층형 실크를 제어할 수 있는 첫걸음을 내디뎠다.미래 연구의 핵심 분야는 실크 집적 회로의 안정성과 전도성을 향상시키고 생분해성 전자 제품에서 실크의 잠재력을 탐색하여 전자 제조에서 녹색 화학을 더 많이 사용하는 것입니다.