Después de miles de años como un bien muy valorado, la seda sigue sorprendiendo. Ahora podría ayudar a señalar una dirección completamente nueva para la microelectrónica y la informática.
Aunque las proteínas de seda se han utilizado en productos electrónicos de diseño, su uso actualmente está limitado en parte porque las fibras de seda son una maraña desordenada de hebras parecidas a espaguetis.
Ahora, un equipo de investigación dirigido por científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía ha abordado el problema. Informan en revistas. Avances de la ciencia Lograron una capa uniforme bidimensional (2D) de fragmentos de proteína de seda, o “fibroína”, sobre grafeno, un material a base de carbono útil por su excelente conductividad eléctrica.
“Estos hallazgos proporcionan un método reproducible para el autoensamblaje de proteínas de seda que es esencial para diseñar y fabricar productos electrónicos a base de seda”, dijo Chenyang Shi, autor principal del estudio. “Es importante señalar que este sistema no es tóxico y está basado en agua, lo cual es crucial para la biocompatibilidad”.
Esta combinación de materiales (seda sobre grafeno) puede producir un transistor sensible y sintonizable muy deseado por la industria de la microelectrónica para sensores de salud portátiles e implantables. El equipo de PNNL también ve potencial para su uso en la computación de redes neuronales como componente clave de los transistores de memoria o “memristores”. Los memristores, utilizados en redes neuronales, permiten que las computadoras imiten cómo funciona el cerebro humano.
Ruta de la Seda
Durante siglos, la producción de seda con gusanos de seda fue un secreto celosamente guardado en China, mientras que su fama se extendió a la India, Oriente Medio y, finalmente, a Europa a través de la famosa ruta comercial de la Ruta de la Seda. En la Edad Media, la seda se había convertido en un símbolo de estatus y un producto codiciado en los mercados europeos. Incluso hoy en día, la seda se asocia con el lujo y el prestigio.
Las mismas propiedades inherentes que hacen que la tela de seda sea mundialmente reconocida (elasticidad, durabilidad y resistencia) han llevado a su uso en aplicaciones de materiales avanzados.
“Se han realizado muchas investigaciones utilizando la seda como una forma de modular señales electrónicas, pero debido a que las proteínas de la seda están naturalmente desordenadas, sólo ha sido posible un control limitado”, dijo James D’Iorio, miembro de Battle con doble nombramiento en PNNL. Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales y Química de la Universidad de Washington. “Entonces, con nuestra experiencia en el control del crecimiento de materiales en superficies, pensamos ‘¿y si pudiéramos crear una mejor interfaz?'”
Para ello, el equipo controló cuidadosamente las condiciones de reacción, añadiendo fibras de seda individuales al sistema a base de agua de forma precisa. A través de condiciones precisas de laboratorio, el equipo logró una capa 2D altamente organizada de proteínas empaquetadas en láminas β paralelas precisas, una de las formas de proteínas más comunes en la naturaleza. Otros estudios de imágenes y cálculos teóricos complementarios muestran que la fina capa de seda adopta una estructura estable con propiedades que se encuentran en la seda natural. Una estructura electrónica a esta escala (menos de la mitad del espesor de una hebra de ADN) respalda la miniaturización que se encuentra en todas partes en la industria bioelectrónica.
“Este tipo de material se presta a lo que llamamos efectos de campo”, afirma Di Iorio. “Eso significa que es un interruptor de transistor que se enciende o apaga en respuesta a una señal. Si le agregas un anticuerpo, por ejemplo, cuando se une una proteína objetivo, dejas que un transistor cambie de estado”.
De hecho, los investigadores planean utilizar este material y técnica básicos para crear su propia seda sintética con proteínas funcionales añadidas para aumentar su utilidad y especificidad.
Este estudio representa el primer paso en la estratificación controlada de seda en componentes electrónicos funcionales. Las áreas clave de investigación futura incluyen la mejora de la estabilidad y la conductividad de los circuitos integrados en seda y la exploración del potencial de la seda en la electrónica biodegradable para aumentar el uso de la química verde en la fabricación de productos electrónicos.
Además de Di Iorio, el científico de materiales del PNNL Shuai Zhang y Jiang Yang Liu de la Universidad de Xiamen, Xiamen, China, fueron coautores principales del estudio. Otros contribuyentes incluyen a Marlo Jarman de la Universidad de Washington, Seattle; Xiao Zhao y Michael B. Salmeron del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; y Jim Findtner de la Universidad Estatal de Carolina del Norte.
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias del DOE, Programa de Ciencias Energéticas Básicas. Simulaciones de dinámica molecular y mediciones de microscopía con sonda Kelvin de barrido realizadas por el Programa de Centros de Investigación de Fronteras Energéticas del DOE BES CSSAS: El Centro para las Ciencias de Síntesis a través de escalas en Washington.