水基加工在电子学、材料科学和生命科学等高科技领域至关重要，对提升设备质量、制造效率、安全性和可持续性有显著影响。水作为连接生物与技术系统的独特桥梁，然而其高表面张力限制了生物纳米界面的润湿和制造，带来了根本性挑战。本文提出使用丝素蛋白作为表面活性剂，成功实现了纳米级设备的水基加工。即使在极低浓度（如0.01 w/v%）下，丝素蛋白也能显著提高表面覆盖率，优于传统表面活性剂。这得益于其两亲性及对不同表面能基质的适应性吸附，促进了材料间的分子相互作用。通过制造晶体管和光伏电池等水处理纳米器件，我们展示了这种方法的多功能性，其性能与传统真空处理设备相当，彰显了水基纳米制造的实用性与广泛适用性。

一、丝素蛋白作为天然表面活性剂

丝素蛋白(SF)具有复杂的多嵌段共聚物结构，由多种氨基酸组成，表现出两亲性（图1a），功能类似于合成表面活性剂，能够改变水基溶液的热力学能量状态（图1b）。研究通过控制脱胶时间和溶液浓度，定量分析了SF在不同表面能基底上的润湿性（图1c,d）。脱胶时间控制在5至120分钟，得到不同分子量的SF溶液。煮沸少于30分钟的SF链主要由分子量在350至200 kDa的长链丝素蛋白(LCF)组成，30至120分钟则为200至70 kDa的短链丝素蛋白(SCF)。含0.003 w/v%LCF的水溶液可覆盖90%以上的裸SiO2/Si基底，覆盖率随浓度增加。LCF在提高润湿性时，旋涂覆盖率与分子量无关，但与SF浓度相关；SCF则需0.02 w/v%或更高浓度才能实现高覆盖率。此结果表明SF可能通过直接吸附在界面上，调控润湿性，且分子量与浓度显著影响其吸附行为。

图1作为天然表面活性剂的SF。b,旋转涂层金属水合物提高表面覆盖率的示意图。金属水合物溶液的表面覆盖率的示意图。c,d,添加了SF的金属水溶液的表面覆盖率（%）。的表面覆盖率（%）。基底（c）和基底上的表面覆盖率（%）。基底（d）上SF添加的金属水溶液的表面覆盖率（%）与浓度和分子量的函数关系。

二、使用丝绸表面活性剂进行高效界面能量控制的表面活性剂

从热力学角度来看，润湿是液体在固体表面扩展以最小化自由能的现象。液体在固体上的润湿性可通过界面能和粘附功来评估，分别由杨氏方程和粘附功方程表示。本文评估了含丝素蛋白(SF)溶液在疏水性基底上的表面张力和接触角（CA）变化，使用煮沸30分钟的SF（SF30）。结果显示，尽管SF30溶液的表面张力变化与对照组相似，但其接触角显著降低（补充图2），表明润湿增强主要通过改变液-固界面能实现，而非降低溶液表面张力。图2a显示，SF掺杂溶液与固体表面之间的界面能显著降低，图2b显示界面粘附力增加。与六种商用表面活性剂相比，尽管它们有效降低了溶液表面张力，但对界面能的控制不及SF（图2c,d）。SF30在疏水性基底上的表面覆盖率超过90%，且优于分子量相近的合成表面活性剂（延伸数据图1）。

图2利用丝表面活性剂进行高效的界面能控制。水溶液中SF在水溶液中的界面张力（a）和粘附功（b）的随时间变化。(d)与其他商用和最先进表面活性剂的比较。表面活性剂。在a和b中，数据点和误差条表示平均值±标准偏差（s.d.标准偏差(s.d.)（样本量为4），直线表示线性回归。在c和d中，点表示数据点。色条和误差条显示平均值±标准差（样本量3）

三、丝在薄膜-基底界面上的自适应吸附作用界面

图3a展示了丝素蛋白(SF)在不同能量表面上的吸附机制。我们假设，SF中的疏水域优先与非极性表面相互作用，而亲水域则朝向溶液，导致SF在疏水界面的富集。为验证这一假设，我们将含SF的铟前驱体溶液涂覆在不同表面能的基底上，并通过X射线光电子能谱（XPS）和原子力显微镜（AFM）分析薄膜的表面化学成分和形貌。XPS结果显示，蛋白质信号主要集中在SF掺杂的金属氧化物薄膜与基底界面处，且当SF浓度超过0.3 w/v%时，界面处出现明显的N1s信号，表明SF吸附效率与表面能有关（图3b,c）。此外，SF的分子量对吸附效率有影响，分子量较低时N1s信号较弱。在高极性表面上，SF信号在整个薄膜中分布，说明吸附过程中SF未从整体中分离。AFM分析表明，高浓度SF在疏水性基底上形成了平坦的吸附结构，而在等离子处理的基底上形成了岛状聚集体（图3d）。这些结果表明，SF通过自适应吸附机制显著提高了润湿性，使得在不同表面上快速形成高质量的金属氧化物薄膜成为可能。

图3丝绸表面活性剂在薄膜-固体界面的自适应吸附。a,表面活性剂在涂覆过程中的自分离示意图。b,XPS深度剖面化学成分分析厚度为25纳米的In2 O3薄膜的化学成分分析。数据c,N1s在In2O3薄膜中的N1s分布。SF沉积在具有不同自由表面能的基底上的In2 O3薄膜中的N1s分布。白色虚线线表示与二氧化硅d，通过选择性蚀刻金属氧化物获得的埋藏SF层的高度和偏转AFM图，通过选择性蚀刻金属氧化物获得（比例尺，1µm；Ra，平均值；Ra，算术平均粗糙度）。

四、利用丝素蛋白的水纳米技术表面活性剂

图4展示了在疏水表面上进行水基纳米器件制造及其性能表征。研究发现，丝素蛋白（SF）对器件性能影响极小，因其在膜-基底界面的自分离特性，确保了电子材料的功能性和膜的高质量。在铟镓锌氧化物（IGZO）晶体管通道中加入高达0.03 w/v%的SF，对器件的传输特性几乎没有影响，迁移率保持在1至10 cm²/V·s，SF浓度达到0.1 w/v%或更高时，才有所下降。在疏水性FOTS处理表面上制造的晶体管，迁移率仍维持在~1 cm²/V·s，SF吸附在膜-基底界面形成的绝缘层可能导致电容耦合减弱，但未引入传输曲线中的迟滞或次阈摆幅恶化等非理想特性。此外，SF表面活性剂应用于介电材料涂层，表现出良好的电学性能。MAPbI3和NiO基光电薄膜在疏水性硅基底上展示了光响应行为，表明SF在水基纳米制造中具有广泛应用潜力，尤其在生物传感器和下一代生物医学设备中，其生物兼容性和环保性将带来显著优势。

图4使用丝表面活性剂的水激活纳米器件。基于IGZO:SF的场效应晶体管（FET）。中间：用不同的晶体管的转移曲线。右图：不同SF晶体管的电荷迁移率。数据点和误差条显示平均值±s.d.（样本数为3）。以及制备的MAPbI3的薄膜的I-V特性。d,基于NiO:SF的光电探测器的结构（左）和在不同侧向电压（中）和时间（右）下的光探测器的结构（左）及其在白光照明下的I-V特性（右）。(右图）。所有器件都是在疏水性基底上制造的SF基绝缘体的结构（左）及其电流密度-电场曲线。

结论

本研究重新诠释了再生丝素蛋白（SF）的分子结构，提出其作为水基纳米器件制造的通用润湿剂。表面覆盖率和界面能量分析的实验证据表明，即使在低于0.01 w/v%的浓度下，SF也能显著提高疏水表面的润湿性，扩展了水基处理的应用范围。原子级别的表面分析揭示了SF的自适应吸附行为，这是其增强润湿性的关键因素。这种天然表面活性剂使得无需进行表面预处理即可实现水基纳米器件的制造，简化了生产过程，减少了对复杂或有毒化学品的需求。