Forskere skaber selvsamlede logiske kredsløb fra proteiner

I et proof-of-concept-studie har forskere skabt selvsamlede, proteinbaserede kredsløb, der kan udføre simple logiske funktioner. Værket viser, at det er muligt at skabe stabile digitale kredsløb, der udnytter en elektrons egenskaber på kvanteskalaer.

En af anstødsstenene ved at skabe molekylære kredsløb er, at når kredsløbsstørrelsen falder, bliver kredsløbene upålidelige. Dette skyldes, at de elektroner, der er nødvendige for at skabe strøm, opfører sig som bølger, ikke partikler, på kvanteskalaen. For eksempel på et kredsløb med to ledninger, der er en nanometer fra hinanden, kan elektronen "tunnelere" mellem de to ledninger og effektivt være begge steder samtidigt, hvilket gør det vanskeligt at styre strømmens retning. Molekylære kredsløb kan afbøde disse problemer, men enkeltmolekyleforbindelser er kortvarige eller lavt ydende på grund af udfordringer forbundet med fremstilling af elektroder i den skala.

"Vores mål var at forsøge at skabe et molekylært kredsløb, der bruger tunneling til vores fordel, snarere end at kæmpe imod det," siger Ryan Chiechi, lektor i kemi ved North Carolina State University og med-korresponderende forfatter til et papir, der beskriver arbejdet.

Chiechi og co-korresponderende forfatter Xinkai Qiu fra University of Cambridge byggede kredsløbene ved først at placere to forskellige typer fullerenbure på mønstrede guldsubstrater. De nedsænkede derefter strukturen i en opløsning af fotosystem et (PSI), et almindeligt anvendt klorofylproteinkompleks.

De forskellige fullerener inducerede PSI-proteiner til selv at samle sig på overfladen i specifikke orienteringer, hvilket skaber dioder og modstande, når topkontakterne af gallium-indium flydende metal-eutektikum, EGaIn, er trykt på toppen. Denne proces både adresserer ulemperne ved enkelt-molekyle junctions og bevarer molekylær-elektronisk funktion.

"Hvor vi ønskede modstande, mønstrede vi en type fulleren på elektroderne, som PSI selv samler på, og hvor vi ønskede dioder, mønstrede vi en anden type," siger Chiechi. "Orienteret PSI ensretter strøm - hvilket betyder, at det kun tillader elektroner at flyde i én retning. Ved at kontrollere nettoorienteringen i ensembler af PSI kan vi diktere, hvordan ladningen flyder gennem dem."

Forskerne koblede de selvsamlede proteinensembler med menneskeskabte elektroder og lavede simple logiske kredsløb, der brugte elektrontunneladfærd til at modulere strømmen.

"Disse proteiner spreder elektronbølgefunktionen og medierer tunnelering på måder, der stadig ikke er helt forstået," siger Chiechi. "Resultatet er, at på trods af at det er 10 nanometer tykt, fungerer dette kredsløb på kvanteniveau og fungerer i et tunneling-regime. Og fordi vi bruger en gruppe molekyler i stedet for enkelte molekyler, er strukturen stabil. Vi kan faktisk printe elektroder oven på disse kredsløb og byg enheder."

Forskerne skabte simple diodebaserede OG/ELLER-logiske porte fra disse kredsløb og inkorporerede dem i pulsmodulatorer, som kan indkode information ved at slå et indgangssignal til eller fra afhængigt af spændingen på en anden indgang. De PSI-baserede logiske kredsløb var i stand til at skifte et 3,3 kHz indgangssignal – som, selvom det ikke kan sammenlignes i hastighed med moderne logiske kredsløb, stadig er et af de hurtigste molekylære logiske kredsløb, der hidtil er rapporteret.

"Dette er et proof-of-concept rudimentært logisk kredsløb, der er afhængig af både dioder og modstande," siger Chiechi. "Vi har vist her, at du kan bygge robuste, integrerede kredsløb, der fungerer ved høje frekvenser med proteiner.

"Med hensyn til umiddelbar anvendelighed kan disse proteinbaserede kredsløb føre til udviklingen af ​​elektroniske enheder, der forbedrer, erstatter og/eller udvider funktionaliteten af ​​klassiske halvledere."

Forskningen vises i Nature Communications . + Udforsk yderligere

Et metamaterialebaseret clockdistributionsnetværk til at bygge store superledende chips