In een proof-of-concept-onderzoek hebben onderzoekers zelf-geassembleerde, op eiwitten gebaseerde circuits gemaakt die eenvoudige logische functies kunnen uitvoeren. Het werk toont aan dat het mogelijk is om stabiele digitale circuits te maken die profiteren van de eigenschappen van een elektron op kwantumschalen.

Een van de struikelblokken bij het maken van moleculaire circuits is dat naarmate de circuitgrootte kleiner wordt, de circuits onbetrouwbaar worden. Dit komt omdat de elektronen die nodig zijn om stroom te creëren zich op kwantumschaal gedragen als golven, niet als deeltjes. Op een circuit met twee draden die één nanometer uit elkaar liggen, kan het elektron bijvoorbeeld tussen de twee draden "tunnelen" en effectief op beide plaatsen tegelijk zijn, waardoor het moeilijk wordt om de richting van de stroom te regelen. Moleculaire circuits kunnen deze problemen verminderen, maar verbindingen met één molecuul zijn van korte duur of hebben een lage opbrengst vanwege de uitdagingen die gepaard gaan met het vervaardigen van elektroden op die schaal.

"Ons doel was om te proberen een moleculair circuit te creëren dat tunneling in ons voordeel gebruikt, in plaats van ertegen te vechten", zegt Ryan Chiechi, universitair hoofddocent scheikunde aan de North Carolina State University en co-corresponderende auteur van een paper waarin het werk wordt beschreven.

Chiechi en co-corresponderende auteur Xinkai Qiu van de Universiteit van Cambridge bouwden de circuits door eerst twee verschillende soorten fullereen-kooien op gouden substraten met patronen te plaatsen. Vervolgens dompelden ze de structuur onder in een oplossing van fotosysteem één (PSI), een veelgebruikt chlorofyl-eiwitcomplex.

De verschillende fullerenen zorgden ervoor dat PSI-eiwitten zichzelf assembleren op het oppervlak in specifieke oriëntaties, waardoor diodes en weerstanden ontstonden zodra de topcontacten van het gallium-indium vloeibare metaal-eutecticum, EGaIn, erop werden afgedrukt. Dit proces pakt zowel de nadelen van verbindingen van één molecuul aan als de moleculair-elektronische functie behoudt.

"Waar we weerstanden wilden, gebruikten we een type fullereen op de elektroden waarop PSI zichzelf assembleert, en waar we diodes wilden hebben we een ander type patroon", zegt Chiechi. "Georiënteerde PSI corrigeert stroom, wat betekent dat elektronen slechts in één richting kunnen stromen. Door de netto-oriëntatie in ensembles van PSI te regelen, kunnen we dicteren hoe lading er doorheen stroomt."

De onderzoekers koppelden de zelf-geassembleerde eiwitensembles met door mensen gemaakte elektroden en maakten eenvoudige logische circuits die elektronentunnelgedrag gebruikten om de stroom te moduleren.

"Deze eiwitten verstrooien de elektronengolffunctie, waardoor tunneling wordt bemiddeld op manieren die nog steeds niet volledig worden begrepen", zegt Chiechi. "Het resultaat is dat dit circuit, ondanks dat het 10 nanometer dik is, op kwantumniveau functioneert en in een tunnelregime werkt. En omdat we een groep moleculen gebruiken in plaats van afzonderlijke moleculen, is de structuur stabiel. We kunnen daadwerkelijk elektroden printen bovenop deze circuits en apparaten bouwen."

De onderzoekers creëerden eenvoudige, op diodes gebaseerde EN/OF-logische poorten van deze circuits en verwerkten ze in pulsmodulatoren, die informatie kunnen coderen door een ingangssignaal in of uit te schakelen, afhankelijk van de spanning van een andere ingang. De op PSI gebaseerde logische circuits waren in staat om een ​​ingangssignaal van 3,3 kHz te schakelen, dat, hoewel niet vergelijkbaar in snelheid met moderne logische circuits, nog steeds een van de snelste moleculair-logische circuits is die tot nu toe zijn gerapporteerd.

"Dit is een proof-of-concept rudimentair logisch circuit dat vertrouwt op zowel diodes als weerstanden", zegt Chiechi. "We hebben hier laten zien dat je met eiwitten robuuste, geïntegreerde schakelingen kunt bouwen die op hoge frequenties werken.

"In termen van onmiddellijk nut, zouden deze op eiwit gebaseerde circuits kunnen leiden tot de ontwikkeling van elektronische apparaten die de functionaliteit van klassieke halfgeleiders verbeteren, vervangen en/of uitbreiden."

Het onderzoek verschijnt in Nature Communications . + Verder verkennen

Een op metamateriaal gebaseerd klokdistributienetwerk om grote supergeleidende chips te bouwen