Tơ tằm là tương lai của thiết bị thông tin thân thiện môi trường

Các phân tử protein tơ riêng lẻ, hay "fibroin tơ" (màu xanh lam), được lắng đọng trên bề mặt graphene được bao quanh bởi nước (hình cầu màu xanh lá cây và màu đỏ) và phát triển thành một tấm hai chiều (2D) chính xác đến từng nguyên tử. Việc lắng đọng có kiểm soát các sợi tơ có thể dẫn đến tạo ra nhiều thiết bị điện tử phân hủy sinh học.

Sáng kiến này cung cấp một hệ thống không độc hại, thân thiện với nước và tương thích sinh học cao, có khả năng cách mạng hóa ứng dụng của tơ tằm trong các vật liệu xa xỉ và các ngành công nghiệp công nghệ cao. Nghiên cứu mở ra con đường cho những tiến bộ hơn nữa trong các mạch tích hợp tơ tằm và các giải pháp điện tử bền vững.

Những ứng dụng mang tính cách mạng của tơ tằm trong vi điện tử

Sau hàng nghìn năm là một mặt hàng có giá trị cao, tơ tằm vẫn tiếp tục gây bất ngờ. Giờ đây, nó có thể giúp mở ra một hướng đi hoàn toàn mới cho ngành vi điện tử và máy tính.

Mặc dù protein tơ tằm đã được triển khai trong thiết kế các thiết bị điện tử, nhưng việc sử dụng nó hiện đang bị hạn chế một phần vì các sợi tơ tằm là một mớ hỗn độn như câu mà các cụ ta xưa hay ví là "rối như tơ vò".

Giờ đây, một nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây bắc Thái Bình Dương (PNNL) thuộc Bộ Năng lượng Mỹ đã xử lý thành công được mớ hỗn độn này. Trong báo cáo hôm qua (ngày 18.9) trên tạp chí Science Advances, họ khẳng định đã tạo ra một lớp protein tơ tằm hai chiều (2D) đồng nhất, hay còn gọi là "fibroin", trên graphene, một vật liệu gốc carbon hữu ích vì có độ dẫn điện tuyệt vời.

Chenyang Shi, tác giả chính của nghiên cứu cho biết: "Những kết quả này cung cấp một phương pháp tái tạo để ứng dụng protein tơ tằm, rất cần thiết cho việc thiết kế và chế tạo các thiết bị điện tử dựa trên tơ tằm. Điều quan trọng cần lưu ý là hệ thống này không độc hại và thân thiện nước, rất quan trọng đối với khả năng tương thích sinh học".

Sự kết hợp của các vật liệu này - tơ tằm trên graphene - có thể tạo thành một bóng bán dẫn nhạy, có thể điều chỉnh được mà ngành công nghiệp vi điện tử rất kỳ vọng trong chế tạo các cảm biến sức khỏe có thể đeo và cấy ghép trong người. Nhóm PNNL cũng thấy tiềm năng sử dụng chúng như một thành phần chính của bóng bán dẫn bộ nhớ hoặc "memristor" trong mạng lưới nơ-ron điện toán. Memristor, được sử dụng trong mạng lưới nơ-ron, cho phép máy tính mô phỏng cách thức hoạt động của não người.

Những đổi mới và định hướng tương lai trong ngành điện tử tơ tằm

James De Yoreo, một thành viên thuộc PNNL đồng thời là Giáo sư Khoa học & Kỹ thuật Vật liệu thuộc Khoa Hóa học tại Đại học Washington cho biết: “Đã có rất nhiều nghiên cứu sử dụng tơ tằm như một cách điều chế tín hiệu điện tử, nhưng vì protein tơ tằm tự nhiên không sắp xếp theo trật tự nên khả năng kiểm soát chỉ có giới hạn nhất định, Vì vậy, với kinh nghiệm kiểm soát sự phát triển của vật liệu trên bề mặt, chúng tôi nghĩ rằng ‘nếu chúng ta có thể tạo ra một bề mặt tiếp xúc tốt hơn thì sao?’

Để làm được điều đó, nhóm nghiên cứu đã kiểm soát cẩn thận các điều kiện phản ứng, thêm từng sợi tơ tằm riêng lẻ vào hệ thống theo cách chính xác. Thông qua các điều kiện chính xác trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một lớp protein 2D có tổ chức cấu tạo cao được đóng gói trong các tấm song song chính xác, một trong những hình dạng protein phổ biến nhất trong tự nhiên.

Các nghiên cứu hình ảnh sâu hơn và các tính toán lý thuyết bổ sung cho thấy lớp tơ tằm mỏng này có cấu trúc ổn định với các đặc điểm có trong tơ tằm tự nhiên. Một cấu trúc điện tử ở quy mô nhỏ hơn một nửa độ dày của một sợi DNA có thể ứng dụng trong mọi ngóc ngách ngành điện tử sinh học.

De Yoreo cho biết: “Loại vật liệu này phù hợp với thứ mà chúng tôi gọi là hiệu ứng trường”, đồng thời giải thích: “Điều này có nghĩa là nó giống như là một công tắc bóng bán dẫn bật hoặc tắt để phản hồi tín hiệu. Nếu bạn thêm, chẳng hạn, một kháng thể vào nó, thì khi một protein mục tiêu liên kết, bạn sẽ khiến một bóng bán dẫn chuyển đổi trạng thái”.

Thật vậy, các nhà nghiên cứu đang có kế hoạch sử dụng vật liệu và kỹ thuật ban đầu này để tạo ra tơ tằm nhân tạo phục vụ riêng cho nghiên cứu của họ với các protein chức năng được thêm vào để tăng cường tính hữu ích và tính đặc hiệu của nó.

Nghiên cứu này có thể coi là bước đầu tiên trong việc tạo lớp tơ tằm có kiểm soát trên các thành phần điện tử chức năng. Các lĩnh vực nghiên cứu chính trong tương lai cần tập trung là cải thiện độ ổn định và độ dẫn điện của mạch tích hợp tơ tằm cũng như khám phá tiềm năng của tơ tằm trong thiết bị điện tử phân hủy sinh học để tăng cường việc sử dụng vật liệu xanh trong sản xuất điện tử.

Anh Tú