水基加工在電子學、材料科學和生命科學等高科技領域至關重要，對提升設備質量、制造效率、安全性和可持續性有顯著影響。水作為連接生物與技術系統的獨特橋梁，然而其高表面張力限制了生物納米界面的潤濕和制造，帶來了根本性挑戰。本文提出使用絲素蛋白作為表面活性劑，成功實現了納米級設備的水基加工。即使在極低濃度（如0.01 w/v%）下，絲素蛋白也能顯著提高表面覆蓋率，優于傳統表面活性劑。這得益于其兩親性及對不同表面能基質的適應性吸附，促進了材料間的分子相互作用。通過制造晶體管和光伏電池等水處理納米器件，我們展示了這種方法的多功能性，其性能與傳統真空處理設備相當，彰顯了水基納米制造的實用性與廣泛適用性。

一、絲素蛋白作為天然表面活性劑

絲素蛋白(SF)具有復雜的多嵌段共聚物結構，由多種氨基酸組成，表現出兩親性（圖1a），功能類似于合成表面活性劑，能夠改變水基溶液的熱力學能量狀態（圖1b）。研究通過控制脫膠時間和溶液濃度，定量分析了SF在不同表面能基底上的潤濕性（圖1c,d）。脫膠時間控制在5至120分鐘，得到不同分子量的SF溶液。煮沸少于30分鐘的SF鏈主要由分子量在350至200 kDa的長鏈絲素蛋白(LCF)組成，30至120分鐘則為200至70 kDa的短鏈絲素蛋白(SCF)。含0.003 w/v%LCF的水溶液可覆蓋90%以上的裸SiO2/Si基底，覆蓋率隨濃度增加。LCF在提高潤濕性時，旋涂覆蓋率與分子量無關，但與SF濃度相關；SCF則需0.02 w/v%或更高濃度才能實現高覆蓋率。此結果表明SF可能通過直接吸附在界面上，調控潤濕性，且分子量與濃度顯著影響其吸附行為。

圖1作為天然表面活性劑的SF。b,旋轉涂層金屬水合物提高表面覆蓋率的示意圖。金屬水合物溶液的表面覆蓋率的示意圖。c,d,添加了SF的金屬水溶液的表面覆蓋率（%）。的表面覆蓋率（%）。基底（c）和基底上的表面覆蓋率（%）。基底（d）上SF添加的金屬水溶液的表面覆蓋率（%）與濃度和分子量的函數關系。

二、使用絲綢表面活性劑進行高效界面能量控制的表面活性劑

從熱力學角度來看，潤濕是液體在固體表面擴展以最小化自由能的現象。液體在固體上的潤濕性可通過界面能和粘附功來評估，分別由楊氏方程和粘附功方程表示。本文評估了含絲素蛋白(SF)溶液在疏水性基底上的表面張力和接觸角（CA）變化，使用煮沸30分鐘的SF（SF30）。結果顯示，盡管SF30溶液的表面張力變化與對照組相似，但其接觸角顯著降低（補充圖2），表明潤濕增強主要通過改變液-固界面能實現，而非降低溶液表面張力。圖2a顯示，SF摻雜溶液與固體表面之間的界面能顯著降低，圖2b顯示界面粘附力增加。與六種商用表面活性劑相比，盡管它們有效降低了溶液表面張力，但對界面能的控制不及SF（圖2c,d）。SF30在疏水性基底上的表面覆蓋率超過90%，且優于分子量相近的合成表面活性劑（延伸數據圖1）。

圖2利用絲表面活性劑進行高效的界面能控制。水溶液中SF在水溶液中的界面張力（a）和粘附功（b）的隨時間變化。(d)與其他商用和最先進表面活性劑的比較。表面活性劑。在a和b中，數據點和誤差條表示平均值±標準偏差（s.d.標準偏差(s.d.)（樣本量為4），直線表示線性回歸。在c和d中，點表示數據點。色條和誤差條顯示平均值±標準差（樣本量3）

三、絲在薄膜-基底界面上的自適應吸附作用界面

圖3a展示了絲素蛋白(SF)在不同能量表面上的吸附機制。我們假設，SF中的疏水域優先與非極性表面相互作用，而親水域則朝向溶液，導致SF在疏水界面的富集。為驗證這一假設，我們將含SF的銦前驅體溶液涂覆在不同表面能的基底上，并通過X射線光電子能譜（XPS）和原子力顯微鏡（AFM）分析薄膜的表面化學成分和形貌。XPS結果顯示，蛋白質信號主要集中在SF摻雜的金屬氧化物薄膜與基底界面處，且當SF濃度超過0.3 w/v%時，界面處出現明顯的N1s信號，表明SF吸附效率與表面能有關（圖3b,c）。此外，SF的分子量對吸附效率有影響，分子量較低時N1s信號較弱。在高極性表面上，SF信號在整個薄膜中分布，說明吸附過程中SF未從整體中分離。AFM分析表明，高濃度SF在疏水性基底上形成了平坦的吸附結構，而在等離子處理的基底上形成了島狀聚集體（圖3d）。這些結果表明，SF通過自適應吸附機制顯著提高了潤濕性，使得在不同表面上快速形成高質量的金屬氧化物薄膜成為可能。

圖3絲綢表面活性劑在薄膜-固體界面的自適應吸附。a,表面活性劑在涂覆過程中的自分離示意圖。b,XPS深度剖面化學成分分析厚度為25納米的In2 O3薄膜的化學成分分析。數據c,N1s在In2O3薄膜中的N1s分布。SF沉積在具有不同自由表面能的基底上的In2 O3薄膜中的N1s分布。白色虛線線表示與二氧化硅d，通過選擇性蝕刻金屬氧化物獲得的埋藏SF層的高度和偏轉AFM圖，通過選擇性蝕刻金屬氧化物獲得（比例尺，1μm；Ra，平均值；Ra，算術平均粗糙度）。

四、利用絲素蛋白的水納米技術表面活性劑

圖4展示了在疏水表面上進行水基納米器件制造及其性能表征。研究發現，絲素蛋白（SF）對器件性能影響極小，因其在膜-基底界面的自分離特性，確保了電子材料的功能性和膜的高質量。在銦鎵鋅氧化物（IGZO）晶體管通道中加入高達0.03 w/v%的SF，對器件的傳輸特性幾乎沒有影響，遷移率保持在1至10 cm2/V·s，SF濃度達到0.1 w/v%或更高時，才有所下降。在疏水性FOTS處理表面上制造的晶體管，遷移率仍維持在~1 cm2/V·s，SF吸附在膜-基底界面形成的絕緣層可能導致電容耦合減弱，但未引入傳輸曲線中的遲滯或次閾擺幅惡化等非理想特性。此外，SF表面活性劑應用于介電材料涂層，表現出良好的電學性能。MAPbI3和NiO基光電薄膜在疏水性硅基底上展示了光響應行為，表明SF在水基納米制造中具有廣泛應用潛力，尤其在生物傳感器和下一代生物醫學設備中，其生物兼容性和環保性將帶來顯著優勢。

圖4使用絲表面活性劑的水激活納米器件。基于IGZO:SF的場效應晶體管（FET）。中間：用不同的晶體管的轉移曲線。右圖：不同SF晶體管的電荷遷移率。數據點和誤差條顯示平均值±s.d.（樣本數為3）。以及制備的MAPbI3的薄膜的I-V特性。d,基于NiO:SF的光電探測器的結構（左）和在不同側向電壓（中）和時間（右）下的光探測器的結構（左）及其在白光照明下的I-V特性（右）。(右圖）。所有器件都是在疏水性基底上制造的SF基絕緣體的結構（左）及其電流密度-電場曲線。

結論

本研究重新詮釋了再生絲素蛋白（SF）的分子結構，提出其作為水基納米器件制造的通用潤濕劑。表面覆蓋率和界面能量分析的實驗證據表明，即使在低于0.01 w/v%的濃度下，SF也能顯著提高疏水表面的潤濕性，擴展了水基處理的應用范圍。原子級別的表面分析揭示了SF的自適應吸附行為，這是其增強潤濕性的關鍵因素。這種天然表面活性劑使得無需進行表面預處理即可實現水基納米器件的制造，簡化了生產過程，減少了對復雜或有毒化學品的需求。