水基加工在高科技領域，尤其是電子學、材料科學和生命科學領域發(fā)揮著至關重要的作用，對開發(fā)高質量的可靠設備、提高制造效率、安全性和可持續(xù)性具有重要影響。在微米和納米尺度上，水是連接生物和技術系統(tǒng)的獨特橋梁。然而，水的高表面張力阻礙了生物納米界面的潤濕和制造，因此需要新的方法來克服由此帶來的根本性挑戰(zhàn)。

在此，塔夫茨大學Fiorenzo G.Omenetto教授課題組報告了使用絲纖維素作為表面活性劑來實現(xiàn)納米級設備的水基加工。即使是微量（例如0.01 w/v%），絲纖維素也能大大提高表面覆蓋率，在精確控制水基溶液與疏水性表面之間的界面能方面優(yōu)于商用表面活性劑。這種效果歸因于蠶絲分子的兩親性及其對具有不同表面能的基質的適應性吸附，從而促進了不可能配對的材料之間的分子間相互作用。通過制造從晶體管到光伏電池的水處理納米器件，凸顯了這種方法的多功能性。其性能與類似的真空處理設備相當，突出了這種方法在水基納米制造方面的實用性和多功能性。相關成果以“Silk fibroin as a surfactant for water-based nanofabrication”為題發(fā)表在《Nature Nanotechnology》上，第一作者為Taehoon Kim。

SF作為天然表面活性劑

SF（蠶絲纖維素）是一種復雜的多嵌段共聚物，由多種氨基酸組成，具有兩親性特征（圖1a），類似于合成表面活性劑的功能。實驗顯示，添加SF可以增強疏水性基底上旋涂水溶液的潤濕性（圖1b），并通過不同分子量（MW）和溶液濃度的控制，研究了這種潤濕性變化。在處理過的疏水表面上，未處理和處理過的表面的接觸角分別為110°和70°。實驗中，SF鏈的分子量范圍從350至70 kDa不等，較高分子量的LCF（長鏈絲心蛋白）在低濃度時即可實現(xiàn)較高的表面覆蓋率，而SCF（短鏈絲心蛋白）則需更高濃度（圖1c、d）。SF的潤濕性能取決于其分子量、濃度及基材的表面能，表明其可能通過直接吸附于潤濕界面起作用。根據(jù)聚合物吸附理論，SF中的疏水氨基酸通過范德華力與表面作用，而親水部分則參與氫鍵和離子偶極子相互作用，起到促進水與表面間潤濕的橋梁作用。

圖1：SF作為天然表面活性劑

使用絲表面活性劑有效控制界面能量

潤濕是液體在固體表面擴散以最小化自由能的現(xiàn)象，其效果通過界面張力和粘附功來定量評估。實驗顯示，添加SF30（煮沸30分鐘的絲蛋白）到水溶液中，盡管表面張力與對照組相似，但顯著降低了疏水性基底上的接觸角（CA），表明潤濕增強是由液固界面能的改變引起的，而非溶液表面能的變化（圖2a,b）。SF30通過多嵌段共聚物結構的多樣性有效調控界面能量，增強了潤濕效果，其水溶液在疏水性表面上的覆蓋率超過90%（圖2d）。與商用表面活性劑相比，SF30在控制疏水表面的潤濕性方面表現(xiàn)更優(yōu)，即使這些表面活性劑能有效降低溶液的表面張力（圖2c）。

圖2：使用絲表面活性劑有效控制界面能量

絲在薄膜-基材界面的自適應吸附

圖3a顯示了絲蛋白（SF）在不同表面能的基底上的吸附機制，假設疏水結構域與非極性表面相互作用，而親水結構域則面向溶液。作者通過X射線光電子能譜（XPS）和原子力顯微鏡（AFM）分析了摻有不同濃度SF的溶液在不同表面上的表現(xiàn)。XPS結果顯示，在非極性基底上，高濃度SF溶液形成了含有蛋白質的薄膜，并且在高能離子轟擊下薄膜和基底界面上仍保留有N1s信號（圖3b,c）。AFM分析則揭示了不同基底上的表面拓撲結構，非極性基底上呈現(xiàn)平躺形狀，而極性基底上則顯示島狀聚集體（圖3d）。研究表明，SF的吸附效率受表面能和分子量影響，并可有效增強潤濕性。這一適應性吸附機制有助于在不同表面上快速形成高質量金屬氧化物薄膜，無需調整沉積參數(shù)。

圖3：絲表面活性劑在薄膜-固體界面上的自適應吸附

使用絲表面活性劑的水驅動納米技術

圖4展示了使用SF表面活性劑在憎水表面上制造水基納米器件的過程及其特性。研究發(fā)現(xiàn)，SF的自分離特性在不影響器件性能的情況下，保證了薄膜的質量和功能。在含有0.03 w/v%SF的IGZO晶體管中，遷移率保持在1至10 cm2/V·s之間，只有在SF濃度超過0.1 w/v%時才略有下降。即使在疏水性表面上，SF的存在也沒有顯著影響電荷遷移率或引起非理想狀態(tài)（圖4a）。在電介質材料中，SF摻雜的Al2O3薄膜顯示出良好的電氣性能（圖4b）。SF還被成功應用于制造基于MAPbI3和NiO的光電薄膜，這些薄膜在光照下產(chǎn)生光電流（圖4c,d）。相比商用表面活性劑，SF用量更少且對器件性能影響更小，并具有生物友好性，適用于生物活性傳感器和人機電子界面等領域，展示了在環(huán)保和經(jīng)濟效益上的優(yōu)勢。

圖4：含有絲表面活性劑的水納米器件

小結

本研究重新詮釋了再生SF的分子結構，將其作為一種通用潤濕劑用于水性納米器件制造。表面覆蓋率和界面能分析的經(jīng)驗證據(jù)證實，即使使用最小濃度的絲表面活性劑（低于0.01 w/v%），也能大大改善疏水表面的水潤濕性，從而極大地擴展了加工用途。原子尺度的表面檢測強調了SF的適應性吸附行為，這被認為是潤濕增強的關鍵因素。這種天然表面活性劑可在水基上制造納米器件，而無需事先進行任何表面改性，從而為材料科學增加了多種制造選擇，簡化了制造工藝，減少了對復雜或有毒化學品的需求。