Camadas de proteína de seda 2D em grafeno abrem caminho para microeletrônica e computação avançadas

Após milhares de anos como uma commodity altamente valiosa, a seda continua a surpreender. Agora, ela pode ajudar a inaugurar uma direção totalmente nova para a microeletrônica e a computação.

Embora a proteína da seda tenha sido utilizada em eletrônicos de design, seu uso atualmente é limitado em parte porque as fibras de seda são um emaranhado de fios semelhantes a espaguete.

Agora, uma equipe de pesquisa liderada por cientistas do Laboratório Nacional do Pacífico Noroeste do Departamento de Energia domesticou o emaranhado. Eles relatam no jornal Avanços da Ciência que eles conseguiram uma camada uniforme bidimensional (2D) de fragmentos de proteína de seda, ou “fibroínas”, em grafeno, um material à base de carbono útil por sua excelente condutividade elétrica.

“Esses resultados fornecem um método reproduzível para automontagem de proteína de seda que é essencial para projetar e fabricar eletrônicos baseados em seda”, disse Chenyang Shi, o principal autor do estudo. “É importante notar que esse sistema é atóxico e à base de água, o que é crucial para a biocompatibilidade.”

Essa combinação de materiais — seda sobre grafeno — poderia formar um transistor sensível e ajustável, altamente desejado pela indústria de microeletrônica para sensores de saúde vestíveis e implantáveis. A equipe do PNNL também vê potencial para seu uso como um componente-chave de transistores de memória ou “memristores”, na computação de redes neurais. Os memristores, usados ​​em redes neurais, permitem que os computadores imitem o funcionamento do cérebro humano.

A rota da seda

Durante séculos, a produção de seda de bicho-da-seda foi um segredo bem guardado na China, enquanto sua fama se espalhou pelas famosas rotas comerciais da Rota da Seda para a Índia, Oriente Médio e, eventualmente, Europa. Na Idade Média, a seda havia se tornado um símbolo de status e uma mercadoria cobiçada nos mercados europeus. Ainda hoje, a seda é associada ao luxo e ao status.

As mesmas propriedades subjacentes que tornam o tecido de seda mundialmente conhecido — elasticidade, durabilidade e resistência — levaram ao seu uso em aplicações de materiais avançados.

“Houve muita pesquisa usando a seda como uma forma de modular sinais eletrônicos, mas como as proteínas da seda são naturalmente desordenadas, só há um certo controle possível”, disse James De Yoreo, um Battelle Fellow no PNNL com dupla nomeação como Professor de Ciência e Engenharia de Materiais e de Química na Universidade de Washington.

“Então, com nossa experiência no controle do crescimento de materiais em superfícies, pensamos: ‘e se pudéssemos criar uma interface melhor?’”

Para fazer isso, a equipe controlou cuidadosamente as condições de reação, adicionando fibras de seda individuais ao sistema à base de água de maneira precisa. Por meio de condições laboratoriais de precisão, a equipe alcançou uma camada 2D altamente organizada de proteínas empacotadas em folhas β paralelas precisas, uma das formas de proteína mais comuns na natureza.

Estudos de imagem adicionais e cálculos teóricos complementares mostraram que a fina camada de seda adota uma estrutura estável com características encontradas na seda natural. Uma estrutura eletrônica nessa escala — menos da metade da espessura de uma fita de DNA — suporta a miniaturização encontrada em todos os lugares na indústria bioeletrônica.

“Esse tipo de material se presta ao que chamamos de efeitos de campo”, disse De Yoreo. “Isso significa que é um interruptor de transistor que liga ou desliga em resposta a um sinal. Se você adicionar, digamos, um anticorpo a ele, então quando uma proteína alvo se liga, você faz com que um transistor troque de estado.”

De fato, os pesquisadores estão planejando usar esse material inicial e essa técnica para criar sua própria seda artificial com proteínas funcionais adicionadas para aumentar sua utilidade e especificidade.

Este estudo representa o primeiro passo na sobreposição controlada de seda em componentes eletrônicos funcionais. As principais áreas de pesquisa futura incluem melhorar a estabilidade e a condutividade de circuitos integrados de seda e explorar o potencial da seda em eletrônicos biodegradáveis ​​para aumentar o uso da química verde na fabricação eletrônica.