دوائر منطقية قابلة للطباعة ومُجمَّعة ذاتيًا تم إنشاؤها من البروتينات

دوائر منطقية قابلة للطباعة ومُجمَّعة ذاتيًا تم إنشاؤها من البروتينات

أنشأ الباحثون دارات مجمعة ذاتيًا قائمة على البروتين يمكنها أداء وظائف منطقية بسيطة لإثبات أنه من الممكن إنشاء دوائر رقمية مستقرة تستفيد من خصائص الإلكترون في المقاييس الكمومية.

في دراسة إثبات المفهوم ، أنشأ العلماء دارات ذاتية التجميع قائمة على البروتين يمكنها أداء وظائف منطقية بسيطة. يوضح العمل أنه من الممكن إنشاء دوائر رقمية مستقرة تستفيد من خصائص الإلكترون في المقاييس الكمومية.

تتمثل إحدى العقبات في إنشاء الدوائر الجزيئية في أن الدوائر تصبح غير موثوقة مع انخفاض حجم الدائرة. هذا لأن الإلكترونات اللازمة لتوليد التيار تتصرف مثل الموجات ، وليس الجسيمات ، على مقياس الكم. على سبيل المثال ، في دائرة بها سلكان يفصل بينهما مسافة نانومتر واحد (واحد من المليار من المتر) ، يمكن للإلكترون أن "ينفق" بين السلكين ويكون فعالًا في كلا المكانين في وقت واحد ، مما يجعل من الصعب التحكم في اتجاه التيار . يمكن للدوائر الجزيئية أن تخفف من هذه المشاكل ، لكن الوصلات أحادية الجزيء قصيرة العمر أو منخفضة العائد بسبب التحديات المرتبطة بتصنيع الأقطاب الكهربائية على هذا النطاق.

"كان هدفنا هو محاولة إنشاء دائرة جزيئية تستخدم الأنفاق لصالحنا ، بدلاً من محاربتها" ، كما يقول ريان تشيتشي ، أستاذ الكيمياء المشارك في جامعة ولاية كارولينا الشمالية والمؤلف المشارك في ورقة تصف العمل.

قام Chiechi والمؤلف المقابل Xinkai Qiu من جامعة كامبريدج ببناء الدوائر عن طريق وضع نوعين مختلفين من أقفاص الفوليرين على ركائز ذهبية منقوشة. ثم قاموا بغمر الهيكل في محلول من النظام الضوئي الأول (PSI) ، وهو مركب بروتين الكلوروفيل شائع الاستخدام.

الفوليرينات المختلفة التي تحفز بروتينات PSI لتتجمع ذاتيًا على السطح في اتجاهات محددة ، مما يخلق ثنائيات ومقاومات بمجرد أن تكون جهات الاتصال العلوية لمعدن الغاليوم الإنديوم السائل سهل الانصهار ، EGaIn ، مطبوعة في الأعلى. تتناول هذه العملية عيوب الوصلات أحادية الجزيء وتحافظ على الوظيفة الإلكترونية الجزيئية.

يقول تشيتشي: "حيثما أردنا مقاومات ، قمنا بنمذجة نوع واحد من الفوليرين على الأقطاب الكهربائية التي يتجمع عليها PSI ذاتيًا ، وحيث أردنا الثنائيات قمنا بنمذجة نوع آخر". "PSI الموجه يصحح التيار - بمعنى أنه يسمح فقط للإلكترونات بالتدفق في اتجاه واحد. من خلال التحكم في الاتجاه الصافي في مجموعات PSI ، يمكننا تحديد كيفية تدفق الشحنة من خلالها ".

قام الباحثون بربط مجموعات البروتين المُجمَّعة ذاتيًا بأقطاب كهربائية من صنع الإنسان وصنعوا دوائر منطقية بسيطة تستخدم سلوك نفق الإلكترون لتعديل التيار.

يقول تشيتشي: "تشتت هذه البروتينات وظيفة موجة الإلكترون ، وتتوسط في حفر الأنفاق بطرق لا تزال غير مفهومة تمامًا". والنتيجة هي أنه على الرغم من أن سماكتها 10 نانومتر ، فإن هذه الدائرة تعمل على المستوى الكمومي ، وتعمل في نظام نفق. ولأننا نستخدم مجموعة من الجزيئات ، بدلاً من الجزيئات المفردة ، فإن التركيب مستقر. يمكننا بالفعل طباعة الأقطاب الكهربائية فوق هذه الدوائر وبناء الأجهزة ".

أنشأ الباحثون بوابات منطقية و / أو منطقية مبنية على الصمام الثنائي من هذه الدوائر ودمجها في مُعدِّلات النبضات ، والتي يمكنها ترميز المعلومات عن طريق تشغيل أو إيقاف إشارة إدخال واحدة اعتمادًا على الجهد لمدخل آخر. كانت الدوائر المنطقية المستندة إلى PSI قادرة على تبديل إشارة إدخال 3.3 كيلو هرتز - والتي ، على الرغم من أنها لا يمكن مقارنتها بالسرعة مع الدوائر المنطقية الحديثة ، إلا أنها لا تزال واحدة من أسرع دوائر المنطق الجزيئي التي تم الإبلاغ عنها حتى الآن.

يقول تشيتشي: "هذه دائرة منطقية بدائية لإثبات صحة المفهوم تعتمد على كل من الثنائيات والمقاومات". "لقد أظهرنا هنا أنه يمكنك بناء دوائر قوية ومتكاملة تعمل على ترددات عالية مع البروتينات.

"فيما يتعلق بالفائدة الفورية ، يمكن أن تؤدي هذه الدوائر القائمة على البروتين إلى تطوير أجهزة إلكترونية تعمل على تحسين وظائف أشباه الموصلات الكلاسيكية وتحل محلها و / أو توسيعها."