南洋理工李佩诗/厦大林友辉《AM》：天然生物聚合物离子电子器件

随着环境保护意识的不断提升，绿色材料的研发逐渐成为科学家们关注的热点。在这方面，生物可降解材料不仅满足了环保需求，还具有潜力用于先进的离子电子器件。羊毛角蛋白是羊毛纤维的主要成分，作为一种天然蛋白质，具有独特的生物兼容性和生物降解性。相较于传统的合成高分子材料，羊毛角蛋白不仅来源丰富，而且经过特殊处理后可以赋予其一定的功能性。

近日，新加坡南洋理工大学Pooi See Lee（李佩诗）教授联合厦门大学林友辉教授提出了一项基于生物可降解羊毛角蛋白的异质结来构建离子电子器件的研究。研究人员利用角蛋白的pH响应性，开发出了一种具有整流特性的生物聚合物离子异质结，提供了一种新型环保、可持续的离子电子材料，从而为离子电子器件的设计提供了新思路。该研究以题为“Biopolymeric Ionotronics Based on Biodegradable Wool Keratin”发表在最新一期《Advanced Materials》上。

【生物可降解的羊毛角蛋白用于构建离子电子器件】

这项研究利用简单的处理方式，赋予角蛋白不同的带电性。如图1所示，从羊毛纤维中提取的角蛋白经pH调节，其蛋白质骨架上将携带不同的电荷，酸处理的角蛋白将携带负电荷，而碱处理的角蛋白将携带正电荷，两种不同带电性的角蛋白在互相接触后，在混合熵的驱动下，离子将发生迁移并在界面处形成离子双层（Ionic Double Layer，IDL），从而使该异质结获得离子整流的性能。该过程与半导体pn结的形成机制类似。

图1. 角蛋白离子异质结的形成机制。

实验结果表明，pH调控赋予了角蛋白不同的带电性，并且不同酸碱条件下，蛋白链的状态也存在明显差异。此外，研究人员还通过有限元模拟的方法证明了角蛋白离子异质结的形成原理，从理论上说明了离子双层形成的原因（图2）。

图2. 角蛋白离子异质结的制备与表征。

随后，角蛋白离子电子器件的整流性能被进一步测试（图3）。实验结果表明，基于角蛋白制备的离子电子器件具有优异的整流性能。研究人员还通过交流阻抗测试得到了角蛋白离子电子器件的等效电路模型，同时证明了器件的单向导通特性。此外，通过增加比表面积更大的碳纳米管膜，角蛋白离子电子器件的整流性能得到了大幅提升，其整流比达到了199，超过了许多已经报道的合成聚合物制备的离子电子器件。

图3. 角蛋白离子电子器件的整流性能。

如图4所示，研究人员探索了角蛋白离子电子器件在机电换能器和自发电传感的应用。实验结果表明，角蛋白离子电子器件在外部机械压力的作用下可以稳定的输出电压和电流，因此可以用于低频的机电换能器中。此外，基于对压力的响应性，角蛋白离子电子器件还可以用于传感器中，不同按压力度可以反映出不同的电学信号，从而达到传感的目的。基于角蛋白离子二极管，研究人员还开发了“OR”逻辑门。当A、B任意一端存在高电平时，C端输出为高电平；当A、B两端同时为低电平时，C端输出为低电平。

同时，研究人员还进一步验证了角蛋白离子电子器件的生物可降解性（图5）。将器件分别置于含有蛋白酶的PBS缓冲液和纯PBS缓冲液中，经过48小时的浸泡，器件在蛋白酶的作用下基本分解。此外，利用蛋白质骨架在碱性溶液中的水解，因此角蛋白离子电子器件也可以通过浸泡碱性溶液使其发生降解。将角蛋白膜置于自然环境中，经过一个月的时间也会发生完全降解。

图4. 角蛋白离子电子器件的应用探索。

图5. 角蛋白离子电子器件的应用和生物可降解性。

总结：基于生物聚合物的离子电子学应用前景广阔。目前的设计策略主要集中在合成聚合物上，这类材料通常需要复杂的合成过程且很难应用于安全环保的绿色生产中。而通过将这种酸碱调控的方法与天然的生物材料相结合，为离子电子学的绿色创新开辟了新的道路，也为可降解离子电子学材料的研发提供了有力的理论支持。未来的研究有望进一步优化其离子导电性能，提高其在实际应用中的稳定性和耐久性，为可持续电子学的发展贡献力量。

全文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202414191

来源：高分子科学前沿

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