Het menselijk brein bevat het geheim van onze unieke persoonlijkheden. Maar wist u dat het ook de basis kan vormen van zeer efficiënte computerapparatuur? Onderzoekers van de Universiteit van Nagoya, Japan, liet onlangs zien hoe je dit moet doen, door grafeen-diamanten knooppunten die enkele van de functies van het menselijk brein nabootsen.

Maar, waarom zouden wetenschappers proberen het menselijk brein na te bootsen? Vandaag, bestaande computerarchitecturen worden onderworpen aan complexe gegevens, hun verwerkingssnelheid beperken. Het menselijk brein, anderzijds, kan zeer complexe gegevens verwerken, zoals afbeeldingen, met hoog rendement. Wetenschappers hebben, daarom, probeerde "neuromorfe" architecturen te bouwen die het neurale netwerk in de hersenen nabootsen.

Een fenomeen dat essentieel is voor geheugen en leren is "synaptische plasticiteit, " het vermogen van synapsen (neuronale verbindingen) om zich aan te passen als reactie op een verhoogde of verminderde activiteit. Wetenschappers hebben geprobeerd een soortgelijk effect te creëren met behulp van transistors en "memristors" (elektronische geheugenapparaten waarvan de weerstand kan worden opgeslagen). Recent ontwikkelde lichtgestuurde memristors, of "fotomemristors, " kan zowel licht detecteren als niet-vluchtig geheugen bieden, vergelijkbaar met menselijke visuele waarneming en geheugen. Deze uitstekende eigenschappen hebben de deur geopend naar een hele nieuwe wereld van materialen die kunnen fungeren als kunstmatige opto-elektronische synapsen!

Dit motiveerde het onderzoeksteam van de Universiteit van Nagoya om grafeen-diamantverbindingen te ontwerpen die de kenmerken van biologische synapsen en belangrijke geheugenfuncties kunnen nabootsen. deuren openen voor de volgende generatie beeldgevoelige geheugenapparaten. In hun recente studie gepubliceerd in Koolstof , de onderzoekers, geleid door Dr. Kenji Ueda, demonstreerde opto-elektronisch gestuurde synaptische functies met behulp van verbindingen tussen verticaal uitgelijnd grafeen (VG) en diamant. De gefabriceerde knooppunten bootsen biologische synaptische functies na, zoals de productie van "exciterende postsynaptische stroom" (EPSC) - de lading die wordt geïnduceerd door neurotransmitters op het synaptische membraan - wanneer gestimuleerd met optische pulsen en andere basale hersenfuncties vertonen, zoals de overgang van kortetermijngeheugen (STM) naar langetermijngeheugen termijngeheugen (LTM).

Dr. Ueda legt uit, "Onze hersenen zijn goed uitgerust om de beschikbare informatie te doorzoeken en op te slaan wat belangrijk is. We hebben iets soortgelijks geprobeerd met onze VG-diamant-arrays, die het menselijk brein nabootsen wanneer ze worden blootgesteld aan optische stimuli." Hij voegt eraan toe:"Deze studie werd gestart vanwege een ontdekking in 2016, toen we een grote optisch geïnduceerde geleidbaarheidsverandering vonden in grafeen-diamantovergangen." Afgezien van EPSC, STM, en LTM, de knooppunten vertonen ook een gepaarde pulsfacilitatie van 300% - een toename van postsynaptische stroom wanneer deze nauw wordt voorafgegaan door een eerdere synaps.

De VG-diamant-arrays ondergingen redoxreacties die werden geïnduceerd door fluorescerend licht en blauwe LED's onder een voorspanning. De onderzoekers schreven dit toe aan de aanwezigheid van verschillend gehybridiseerde koolstoffen van grafeen en diamant op het kruispunt, wat leidde tot de migratie van ionen als reactie op het licht en op zijn beurt de kruispunten in staat stelde om fotogevoelige en fotobestuurbare functies uit te voeren die vergelijkbaar zijn met die van de hersenen en het netvlies. In aanvulling, de VG-diamant-arrays overtroffen de prestaties van conventionele op zeldzame metalen gebaseerde lichtgevoelige materialen in termen van lichtgevoeligheid en structurele eenvoud.

Dr. Ueda zegt, "Onze studie geeft een beter begrip van het werkingsmechanisme achter het kunstmatige opto-elektronische synaptische gedrag, de weg vrijmaken voor optisch bestuurbare, hersenen nabootsende computers betere informatieverwerkingsmogelijkheden dan bestaande computers."

De toekomst van de volgende generatie computers is misschien niet ver weg.