Op inktvis geïnspireerde eiwitten kunnen fungeren als programmeerbare assembleurs van 2D-materialen, zoals grafeenoxide, om hybride materialen te vormen met een minimale afstand tussen de lagen die geschikt zijn voor hoogrenderende apparaten, waaronder flexibele elektronica, energieopslagsystemen en mechanische actuatoren, volgens een interdisciplinair team van onderzoekers van Penn State.

"2D gelaagde materialen kunnen worden gemaakt door vacuüm (chemische damp) depositie, " zei Melik C. Demirel, Pierce Development Professor en professor in de ingenieurswetenschappen en mechanica. "Maar het proces is duur en duurt lang. Bij chemische dampdepositie is het probleem ook dat we niet kunnen opschalen."

Materialen zoals grafeenoxide zijn samengesteld uit enkele lagen moleculen die in een vlakte zijn verbonden. Hoewel de lengte en breedte van het blad van alles kan zijn, de hoogte is slechts die van één molecuul. Om bruikbare composieten en apparaten te maken, 2D-materialen moeten worden gestapeld in stapels van identieke platen of in combinaties van platen van verschillende samenstelling die volgens specificatie worden gestapeld. Samen met Mauricio Terrones, hoogleraar natuurkunde, scheikunde en materiaalkunde en techniek, en directeur van 2D Atomic Center, Penn staat, Demirel en zijn team kijken momenteel naar het stapelen van vellen van identieke materialen met behulp van een oplosmiddelbenadering die zichzelf assembleert.

"Met behulp van de oplosmiddelbenadering zijn de moleculen zelfassemblerend, zelfherstellend en flexibel, " zei Demirel. "Momenteel stapelen we identieke lagen, maar ze hoeven niet hetzelfde te zijn."

Om deze moleculaire composieten te maken met behulp van oplosmiddeltechnologie, de onderzoekers combineerden de vellen grafeenoxide met synthetische polymeren die waren gemodelleerd naar eiwitten die werden gevonden in inktvisringtanden. Het ene uiteinde van de eiwitstreng hecht aan de rand van een grafeenoxidevel en het andere uiteinde hecht aan de rand van een ander grafeendioxidevel. De vellen grafeenoxide assembleren zichzelf om op te stapelen met eiwitten die de randen van de vellen verbinden. De lengte van deze tandem repeat-eiwitten - hun molecuulgewicht - bepaalt de afstand tussen de vellen.

"Tot nu toe, niemand heeft composietlagen dichter dan 1 nanometer kunnen stapelen, "zei Demirel. "We kunnen ze op atomistische precisie stapelen met 0,4, resolutie van 0,6 of 0,9 nanometer door het juiste molecuulgewicht van hetzelfde eiwit te kiezen. Respectievelijk."

De onderzoekers testten het vermogen van dit materiaal om kleine apparaten te maken door bimorfe thermische actuatoren te maken. Een bimorfe activator is een klein stukje materiaal gemaakt van twee verschillende lagen en loodrecht op een oppervlak geplaatst. Wanneer geactiveerd, meestal door een elektrische stroom, de bimorfe actuator buigt vanuit de loodlijn.

De onderzoekers rapporteren in het julinummer van Koolstof dat "deze nieuwe moleculaire composiet bimorfe actuatoren thermische activering kunnen vergemakkelijken bij spanningen zo laag als ongeveer 2 volt, en ze hebben een energie-efficiëntie die 18 keer beter is dan gewone bimorfe actuatoren die zijn geassembleerd met behulp van bulkgrafeenoxide en tandem-repeatfilms." Ze geloven dat eiwitten met een hoger molecuulgewicht veel hogere verplaatsingen kunnen bereiken.