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《中国科学家改造出高性能丝素蛋白材料，构建出迄今擦写速度最快的蛋白质基忆阻器》

  • 来源专题：中国科学院文献情报生命健康领域集成服务门户
  • 编译者： 赵若春
  • 发布时间：2020-04-02

  • 3月16日，中国厦门大学科学家成功改造了源于桑蚕丝的丝素蛋白材料，并构建出高性能、高稳定性、低能耗、可实用的蛋白质基忆阻器电子器件及人工神经突触。研究人员将银纳米簇组装到丝素蛋白介观网络（介观是介于微观与纳观之间的体系）中，极大地提升了丝素蛋白材料的电子学特性，可实现蛋白质基信息存储领域最快擦写速度，甚至可与顶级无机类材料忆阻器相媲美。研究人员表示，该成果对未来实现可植入生物电子传感与计算、活体内实时AI计算以及远程AI医疗等具有开创性意义。相关研究成果发表于《先进功能材料》期刊。

  • 原文来源：;https://www.cnbeta.com/articles/science/955751.htm
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  • 《纳米黄金粒子“出手” 蚕丝变身超快蛋白质基忆阻器》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-03-17
    • 养蚕缫丝在我国历史悠久。作为一种古老的天然动物纤维，蚕丝包含纤维状蛋白质丝纤蛋白、无机物等成分，以其结构稳定、质量轻、质感柔、易翻新等特点，被广泛应用于家纺、医疗、美容等诸多领域。如今，科研人员尝试将常见的蚕丝制作成生物AI芯片植入人体内，让人工智能与大健康相结合。日前，发表在国际著名学术期刊《先进功能材料》上的一项成果，让这一梦想更近了一步。 　　这项成果来自国家特聘教授、相关人才计划刘向阳的厦门大学团队。该团队首次在国际上制备出具有革命性的丝素蛋白介观杂化材料，构建出高性能、高稳定性、低能耗的可实用的蚕丝杂化介观忆阻器及人工神经突触。 　　“该成果的突破，对未来实现可植入生物电子传感与计算、在体（在活体内)实时人工智能计算，以及远程人性化人工智能医疗等，具有开创性意义。”3月13日，刘向阳向记者透露，目前团队还将相关技术，进一步应用于开发高性能羊毛等全生物材料忆阻器，以及超性能全生物材料存算一体芯片。 　　蚕丝独特结构获科研人员“青睐” 　　随着大数据、人工智能的发展，人工智能芯片已经被广泛地应用于学习、识别和认知等领域，并逐渐成为引领社会进步的科技要素之一。但在如今的智能时代，数据计算复杂度以及能耗的迅速增加，工艺与材料加工的极限，使得传统的冯·诺依曼体系结构计算机遭遇空前挑战，也限制了深度学习神经网络的进一步发展。 　　当前，具有“存算一体”潜力的忆阻器，成为破解该瓶颈的重要技术。“忆阻器可以在关掉电源后，仍能‘记忆’通过的电荷。同时，基于模拟神经的网络的特点，忆阻器的运算模式、功耗、读写速度，都要比传统的运算与记存分开进行的模式，有着革命性的提升。这个特性与人脑神经突触的属性类似，可以帮助模拟人脑的特征，运用在人工智能等复杂、网络计算。”刘向阳介绍说。 　　“以往忆阻器、神经突触元件的制造，主要依托无机材料，如二氧化钛等，然而，这些材料存在难以降解、生物相容性差等问题。”为了迎合新时期信息电子器件在柔性可穿戴及体内可植入等领域的应用趋势，越来越多的有机蛋白质器件受到青睐。 　　至此，刘向阳团队瞄准了源于桑蚕丝的丝素蛋白材料。“该有机材料具有优异的力学性能、生物相容性，如果将来植入人体，还能可控降解，是构建蛋白质基电子器件的理想材料。”刘向阳也指出，现有的生物有机材料，由于缺少特有的电荷传输机制，在构建忆阻器时，存在电学循环稳定性极差、信息存储擦写速度慢及工作能耗高等问题，无法实际应用。 　　为了迎接这些挑战，刘向阳团队探索出了一条“全新路径”。“介观是介于微观与纳观之间的一种体系，而丝素蛋白材料是具有介观结构的软物质材料。通过介观结构优化设计，可创造出全新的蚕丝介观电子功能材料，实现丝素蛋白材料性能的革命性提升。”刘向阳说。 　　小小粒子使得蚕丝拥有超凡功能 　　经过长期的研究，刘向阳团队开发的蚕丝介观忆阻器及人工神经突触元件，取得了突破性的进展，与同类有机生物元器件相比，其速度是有机生物材料的上百倍，耗电只是最好的同类有机生物电子器件的十分之一，开关比达到1000，重复性、稳定性高。 　　那么，该成果取得巨大突破基于什么原理？有何奥秘？刘向阳告诉记者，蚕丝作为一种已有上千年历史的天然生物材料，具有特殊的介观网络多级结构，“奥秘”在于团队将白银或黄金纳米尺度大小的粒子簇，“镶嵌”在蚕丝丝素蛋白介观网络结构中，从而让蚕丝蛋白材料，具有“超凡”的功能。 　　“通过实验，我们发现一个有趣的现象，将银纳米簇组装到丝素蛋白介观网络中，这些银纳米簇形成了无数介观电势能井，使得带电粒子能快速、有效地在丝素蚕白网络中‘跳跃’，极大地提升丝素蛋白材料的电子学特性。”刘向阳说。 　　刘向阳表示，该特性可在电场作用下实现对材料忆阻性能的优化调控，得到擦写速度达10纳秒的超快蛋白质基阻变存储器，比纯蚕丝的以及目前所报道的蛋白质基忆阻器，快二到三个数量级。 　　据了解，这是目前所报道的蛋白质基信息存储领域最快擦写速度，甚至可以与顶级无机类材料忆阻器相媲美。该成果的突破，证实了该介观功能化策略在柔性材料功能化领域具备极大的推广价值，可为柔性电子器件提供新的设计思路及理论基础。
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  • 《科学家用蛋白质纳米线制作出新的“绿色”电子材料》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-10-24
    • 微生物学家研究领导者Derek Lovley和聚合物科学家Todd Emrick表示，马萨诸塞大学安姆斯特分校的一个跨学科科学团队已经开发出一类新的电子材料，该材料可能会产生更加“绿色”的生物医学和环境传感方式，使其具有可持续性的未来。 他们说，根据他们的最新新工作表明，有可能将蛋白质纳米线与聚合物材料相结合，从而生产出一种柔韧的电子复合材料，该材料保留了蛋白质纳米线的导电性和独特的传感能力。该工作发表在《Small》杂志中（文章题目为：“Conductive Composite Materials Fabricated from Microbially Produced Protein Nanowires”）。 Lovley说，蛋白质纳米线比硅纳米线和碳纳米管具有许多方面的优势，包括它们的生物相容性、稳定性以及具有检测化学物质（各种生物医学或环境中存在的物质）的潜力。然而，这些传感器在应用中需要将蛋白质纳米线安装到适于可穿戴传感装置或其他类型电子装置的柔性基质中。 正如Lovley解释道：“十多年来，我们一直在研究蛋白质纳米线的生物学功能，但直到现在我们才能看到它们在电子器件的实际制造中的应用前景。”博士后研究员孙云璐（现就学于德克萨斯大学奥斯汀分校）发现了将蛋白质纳米线与非导电聚合物混合以产生导电复合材料的适当条件。他的实验结果证明，虽然电线是由蛋白质制成的，但它们非常耐用并且易于加工成新材料。 Lovley补充道：“蛋白质纳米线的另一个优点是真正的“绿色”和可持续，我们可以通过用可再生原料喂养的微生物来大规模生产蛋白质纳米线。传统纳米线材料的制造方式需要消耗大量的能量和也需要添加有害的化学物质。相比之下，蛋白质纳米线比硅线更薄，并且比硅在水中稳定，这对于在生物医学应用中非常重要，例如，可以用来检测汗液中的代谢物。” Emrick说：“这些电子蛋白纳米线与聚合物纤维具有惊人的相似性，我们正试图弄清楚如何最有效地将两者结合起来。” 在他们的验证性研究中，蛋白质纳米线在引入聚合物聚乙烯醇时形成导电网络。该材料可以用极端的条件处理，例如加热或极端的pH值（高酸度），这些条件可能会破坏蛋白质基复合材料，但该材料仍然能够很好地工作。 这些嵌入聚合物中的蛋白质纳米线的电导率随着pH变化而显着变化，Lovley解释道：“这是一些重要的生物医学参数用来诊断一些重大的医疗条件，我们还可以用我们想要的方式对蛋白质纳米线的结构进行修饰，以便广泛检测其他生物医学分子。” 导电蛋白纳米线是30多年前Lovley在波托马克河泥中发现的微生物Geobacter的天然产物。 Geobacter使用蛋白质纳米线与其他微生物或矿物质建立电连接。他指出：“在我们的团队中像Todd Emrick和Thomas Russell这样的材料科学专家应该将蛋白质纳米线带入材料领域，而不仅仅让该材料永远停留在泥浆中。” Lovley说：“在这项由UMass Amherst校园基金支持的探索性研究工作中，微生物学团队的后续工作包括扩大纳米线和聚合物基质的生产。” 他指出：“材料科学家需要比我们需要纳米线数量更多的纳米线，我们正在为我们的生物学研究中需要很少纳米线数量时，他们则需要满桶，因此我们现在专注于纳米线产量和定制的纳米线，以便他们对其他分子的反应做出研究成果。”研究人员还申请了一项关于用蛋白质纳米线制成的导电聚合物的专利。”
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