混合蠶絲蛋白電晶體為生物與微電子整合鋪平道路
背景和意義
近年來科學界一直致力於將生物技術與微電子技術相結合，以實現前所未有的革命性進展。一個由美國塔夫茨大學 Silklab 團隊所研發的混合蠶絲蛋白電晶體，為這一目標的實現揭開了序幕。這項技術替代了傳統的絕緣材料，將其改為生物蠶絲，使得電子元件能夠直接對環境做出反應並像活體組織一樣變化。
技術和應用
蠶絲纖維素是蠶絲纖維的結構蛋白，能夠精確地沉積在表面並以化學和生物分子進行修改，改變其性質。透過這種方式功能化的蠶絲可以檢測並檢測從體內或環境中採集的各種成分。研究團隊的首個應用是使用這種混合蠶絲蛋白電晶體製作高靈敏度和超快速的呼吸感應器，可以檢測濕度的變化。將蠶絲層在電晶體中進一步修改，可以使裝置檢測一些心血管和肺部疾病以及睡眠呼吸暫停或吸入二氧化碳等氣體和分子，可能提供診斷訊息。此外如果與血漿結合使用，它們還可以提供關於氧合和葡萄糖水平、迴圈抗體等訊息。
技術原理和挑戰
一個電晶體只是一個電子開關，有一個進來的電子導線和一個離開的電子導線。兩者之間是半導體材料，它因不具備導電能力而被稱為半導體。導電材料的內部有一個被絕緣材料隔開的閘，它像一把鑰匙，可以開啟或關閉電子開關。當閘上的閾值電壓在絕緣材料中建立一個電場時，它觸發了開啟狀態，使半導體中的電子運動起來並透過導電線路流動。在生物混合電晶體中，蠶絲層用作絕緣材料，當它吸濕時，它就像一種膠體，帶著其中所含的任何離子（帶電分子）。閘透過重新排列蠶絲凝膠中的離子觸發開啟狀態。透過改變蠶絲中的離子組成，變壓器的操作就會改變，使其可以被在零到一之間的任何閘值觸發。團隊的研究人員表示可以建立能夠利用不同於數位計算所使用的離散二進位制級別來處理可變訊息的電路，這種變化是由於改變蠶絲絕緣材料中的內容物所引起的。這為將生物引入現代微處理器中的計算提供了可能。
意義和前景
當前已開發的混合蠶絲蛋白電晶體為商業晶片製造過程提供了一個新的可能性。透過在蠶絲中進行生物過程重新配置，可以擁有數十億個轉換存取的電晶體，從而實現類似於人工智慧中使用的神經網路的微處理器。這種技術的應用潛力很大，例如建立能夠自行訓練、對環境訊號作出反應並直接在晶體內記錄記憶的整合電路。此外還有許多更複雜的生物狀態檢測和響應裝置以及大規模的類比和神經形態計算有待開發。
結論和展望
混合蠶絲蛋白電晶體的開發為生物和微電子的整合帶來了全新的思考方式。它不僅拓展了電子和生物的交介面，還為未來的重要基礎性發現和應用奠定了基礎。然而這一技術還處於早期階段，仍然面臨著許多挑戰。將生物和微電子的特性融合在一起是一項復雜而艱巨的任務，需要更多的研究和技術突破。然而對於這一領域的前景，研究人員對未來持樂觀態度，相信這種技術將為生物和微電子領域帶來更多新的發現和創新應用。
