离子电子学的出现揭示了其在柔性晶体管、能量收集和非常规电路中的巨大潜力。然而，大多数离子电子设备通常以合成高分子为基础，其涉及的复杂合成过程引发了人们对其环境可持续性的担忧。羊毛角蛋白作为一种可生物降解、pH响应的天然高分子材料，其可控的生物降解性和再生性提供了一种制备离子电子器件的替代方案，突显了其在可持续生产中的潜力。
图1.设计构建角蛋白离子异质结。
近期，新加坡南洋理工大学 Pooi See Lee （李佩诗）教授与厦门大学林友辉教授联合设计了一种以天然生物材料为基础的离子电子器件（图1）。通过调节pH至等电点以下或以上，羊毛角蛋白分子分别获得正电荷或负电荷，从而能够实现利用单一组分的生物高分子合成离子异质结，这一过程是通过混合熵驱动的离子扩散实现的（图2）。在此基础上，角蛋白离子电子器件表现出卓越的整流特性，整流比高达199，突显了其在低功耗场景中的应用潜力（图3）。此外，角蛋白离子电子器件能够作为一种机电转换器将机械力转化为电能，并且其输出信号适用于自供电传感器。对离子逻辑电路的探索进一步突显了羊毛角蛋白离子电子器件的应用潜力（图4）。值得注意的是，羊毛角蛋白具有天然的生物降解性，实验结果表明，该器件在体外条件和自然环境下都可以有效地降解，为环保型离子电子器件的生产提供了有希望的途径（图5）。该工作以“Biopolymeric Ionotronics Based on Biodegradable Wool Keratin”为题发表在《Advanced Materials》上（Advanced Materials 2024, 2414191）。该研究得到国家自然科学基金委的支持。
该工作是团队近期关于生物聚合物离子电子学相关研究的最新进展之一。值得一提的是，此前南洋理工大学李佩诗团队与厦门大学林友辉团队已经联合发表了一篇关于高分子聚合物调控的工作（Nat. Commun. 2024, 15, 118），这项研究工作是两个团队的第二次合作。该工作标志着在离子电子学领域从合成聚合物到天然聚合物的重要转变，同时为基于蛋白质的离子电子器件的设计与制造提供了指导。研究人员预计，角蛋白离子电子器件的概念能够为大规模生物聚合物器件的制造提供一种简便且高效的方法，成为可持续发展离子电子器件在实际应用中的一种具有成本效益的解决方案。在过去的研究中，结合微纳米制备工艺，团队还开发了一系列基于天然生物聚合物结构调控体系（Adv. Mater. 2019, 31, 1900870; ACS Appl. Bio Mater. 2020, 3, 2891；Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8978），在此基础上探索了其在柔性功能器件和人机交互领域的应用潜能（Adv. Sci. 2023, 10, 2207400；Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2307566；Small 2020, 16, 2000128;），并且系统性地论述了天然聚合物的结构调控的方法及其应用（Small Methods 2021, 5, 2001060）。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202414191
相关进展
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