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南洋理工大學(xué)Pooi See Lee、廈門大學(xué)林友輝教授團(tuán)隊(duì) Adv. Mater.：生物可降解的角蛋白用于構(gòu)建離子電子器件
2024-12-23  來(lái)源：高分子科技

  離子電子學(xué)的出現(xiàn)揭示了其在柔性晶體管、能量收集和非常規(guī)電路中的巨大潛力。然而，大多數(shù)離子電子設(shè)備通常以合成高分子為基礎(chǔ)，其涉及的復(fù)雜合成過(guò)程引發(fā)了人們對(duì)其環(huán)境可持續(xù)性的擔(dān)憂。羊毛角蛋白作為一種可生物降解、pH響應(yīng)的天然高分子材料，其可控的生物降解性和再生性提供了一種制備離子電子器件的替代方案，突顯了其在可持續(xù)生產(chǎn)中的潛力。


圖1.設(shè)計(jì)構(gòu)建角蛋白離子異質(zhì)結(jié)。


  近期，新加坡南洋理工大學(xué) Pooi See Lee （李佩詩(shī)）教授與廈門大學(xué)林友輝教授聯(lián)合設(shè)計(jì)了一種以天然生物材料為基礎(chǔ)的離子電子器件（圖1）。通過(guò)調(diào)節(jié)pH至等電點(diǎn)以下或以上，羊毛角蛋白分子分別獲得正電荷或負(fù)電荷，從而能夠?qū)崿F(xiàn)利用單一組分的生物高分子合成離子異質(zhì)結(jié)，這一過(guò)程是通過(guò)混合熵驅(qū)動(dòng)的離子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)的（圖2）。在此基礎(chǔ)上，角蛋白離子電子器件表現(xiàn)出卓越的整流特性，整流比高達(dá)199，突顯了其在低功耗場(chǎng)景中的應(yīng)用潛力（圖3）。此外，角蛋白離子電子器件能夠作為一種機(jī)電轉(zhuǎn)換器將機(jī)械力轉(zhuǎn)化為電能，并且其輸出信號(hào)適用于自供電傳感器。對(duì)離子邏輯電路的探索進(jìn)一步突顯了羊毛角蛋白離子電子器件的應(yīng)用潛力（圖4）。值得注意的是，羊毛角蛋白具有天然的生物降解性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該器件在體外條件和自然環(huán)境下都可以有效地降解，為環(huán)保型離子電子器件的生產(chǎn)提供了有希望的途徑（圖5）。該工作以“Biopolymeric Ionotronics Based on Biodegradable Wool Keratin”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上（Advanced Materials 2024, 2414191）。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。


圖2. 角蛋白離子異質(zhì)結(jié)的制備與表征。


圖3. 角蛋白離子電子器件的整流性能。


圖4. 角蛋白離子電子器件的應(yīng)用探索。


圖5. 角蛋白離子電子器件的應(yīng)用和生物可降解性。


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于生物聚合物離子電子學(xué)相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。值得一提的是，此前南洋理工大學(xué)李佩詩(shī)團(tuán)隊(duì)與廈門大學(xué)林友輝團(tuán)隊(duì)已經(jīng)聯(lián)合發(fā)表了一篇關(guān)于高分子聚合物調(diào)控的工作（Nat. Commun. 2024, 15, 118），這項(xiàng)研究工作是兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的第二次合作。該工作標(biāo)志著在離子電子學(xué)領(lǐng)域從合成聚合物到天然聚合物的重要轉(zhuǎn)變，同時(shí)為基于蛋白質(zhì)的離子電子器件的設(shè)計(jì)與制造提供了指導(dǎo)。研究人員預(yù)計(jì)，角蛋白離子電子器件的概念能夠?yàn)榇笠?guī)模生物聚合物器件的制造提供一種簡(jiǎn)便且高效的方法，成為可持續(xù)發(fā)展離子電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的一種具有成本效益的解決方案。在過(guò)去的研究中，結(jié)合微納米制備工藝，團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一系列基于天然生物聚合物結(jié)構(gòu)調(diào)控體系（Adv. Mater. 2019, 31, 1900870; ACS Appl. Bio Mater. 2020, 3, 2891；Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8978），在此基礎(chǔ)上探索了其在柔性功能器件和人機(jī)交互領(lǐng)域的應(yīng)用潛能（Adv. Sci. 2023, 10, 2207400；Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2307566；Small 2020, 16, 2000128;），并且系統(tǒng)性地論述了天然聚合物的結(jié)構(gòu)調(diào)控的方法及其應(yīng)用（Small Methods 2021, 5, 2001060）。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202414191

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（責(zé)任編輯：xu）
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