蚕丝，还能这么用

水基加工技术在电子学、材料科学和生命科学等高科技领域扮演着至关重要的角色。它对于开发高质量的可靠设备、提高制造效率、安全性和可持续性具有重要影响。然而，水的高表面张力常常成为阻碍生物纳米界面润湿和制造的障碍。为了克服这一挑战，塔夫茨大学Fiorenzo G. Omenetto教授课题组报告了一种创新的方法：使用丝纤维素作为表面活性剂来实现纳米级设备的水基加工。

丝纤维素（SF）是一种天然的多嵌段共聚物，由多种氨基酸组成，具有两亲性特征。这种特性使得SF能够在微量浓度下，比如0.01 w/v%，就大大提高表面覆盖率，并且在精确控制水基溶液与疏水性表面之间的界面能方面优于商用表面活性剂。这种效果归因于蚕丝分子的两亲性及其对具有不同表面能的基质的适应性吸附，从而促进了原本不可能配对的材料之间的分子间相互作用。

通过这种方法，研究人员能够制造出从晶体管到光伏电池等多种水处理纳米器件，其性能与类似的真空处理设备相当，这突出了水基纳米制造方法的实用性和多功能性。这项研究成果以"Silk fibroin as a surfactant for water-based nanofabrication"为题发表在《Nature Nanotechnology》上。

SF的润湿性能取决于其分子量、浓度及基材的表面能。实验显示，添加SF可以增强疏水性基底上旋涂水溶液的润湿性，并且通过不同分子量和溶液浓度的控制，研究了这种润湿性变化。在处理过的疏水表面上，未处理和处理过的表面的接触角分别为110°和70°。SF链的分子量范围从350至70 kDa不等，较高分子量的长链丝心蛋白在低浓度时即可实现较高的表面覆盖率，而短链丝心蛋白则需更高浓度。

使用SF作为表面活性剂，可以有效地控制界面能量。实验显示，添加煮沸30分钟的丝蛋白（SF30）到水溶液中，尽管表面张力与对照组相似，但显著降低了疏水性基底上的接触角，表明润湿增强是由液固界面能的改变引起的。SF30通过多嵌段共聚物结构的多样性有效调控界面能量，增强了润湿效果。

丝蛋白在薄膜-基材界面的自适应吸附是其润湿性能的关键。SF的吸附效率受表面能和分子量影响，并可有效增强润湿性。这一适应性吸附机制有助于在不同表面上快速形成高质量金属氧化物薄膜，无需调整沉积参数。

使用SF表面活性剂的水驱动纳米技术，展示了在憎水表面上制造水基纳米器件的过程及其特性。研究发现，SF的自分离特性在不影响器件性能的情况下，保证了薄膜的质量和功能。SF还被成功应用于制造基于MAPbI3和NiO的光电薄膜，这些薄膜在光照下产生光电流。

这项研究重新诠释了再生SF的分子结构，将其作为一种通用润湿剂用于水性纳米器件制造。即使使用最小浓度的丝表面活性剂，也能大大改善疏水表面的水润湿性，从而极大地扩展了加工用途。原子尺度的表面检测强调了SF的适应性吸附行为，这被认为是润湿增强的关键因素。这种天然表面活性剂可在水基上制造纳米器件，而无需事先进行任何表面改性，为材料科学增加了多种制造选择，简化了制造工艺，减少了对复杂或有毒化学品的需求。