دیانای به عنوان بلوپریم ژنتیک برای هر موجود زنده عمل میکند، اما همچنین یک ذخیرهسازی فوقالعاده متراکم اطلاعات است. یک گرم دیانای میتواند حدود ۲۱۵ میلیون گیگابایت داده باشد. انتقال این ظرفیت ذخیرهسازی عظیم به قطعات الکترونیکی میتواند منجر به مراکز داده کارآمدتر، پردازش سریعتر و سیستمهایی شود. قادر به پردازش اطلاعات پیچیدهتر باشند.
چالش اصلی، یافتن راهی برای عملکرد موثر دیانای بیولوژیکی در کنار مواد الکترونیکی است. محققان دانشگاه پن با توسعه راهی را که برای غلبه بر این ناسازگاری طراحی شده ارائه کردهاند.
این کار که در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده و مورد ثبت اختراع قرار گرفته است، بر دو اساس کلیدی است. یکی دیانای مصنوعی است که از مولکولهای مهندسی شیمیایی موجود ساخته شده و در توالیهای ژنتیکی کوتاه برای نیازهای الکترونیکی خاص تنظیم شده است. دیگری، پروسکیت بلوری است، یک نیمهرسانا که در فناوریهایی مانند سلولهای خورشیدی، لیزرها و دستگاههای ذخیرهسازی اطلاعات استفاده میشود.
«بیولوژی و ارسالها یک حوزههای کاملاً متفاوتاند،» گفت کویا اس. کرمانه، نویسنده همکار و پژوهشگر فوق دکترا در علوم و مهندسی مواد دانشگاه پن. «ساختن پل بین این دو حوزه نیازمند توسعه یک پلتفرم فرآوری کاملاً جدید است که آن ها را قادر میسازد به طور یکپارچه عمل کنند. با ترکیب قابلیت ذخیرهسازی اطلاعات دیانای با خو الکترونیکی استثنایی نیمرسانا پروسکویت، ما یک سیستم زیستی-ترکیبی ایجاد کردیم که اساساً طراحی دستگاههای حافظه کممصرف را تغییر میدهد.»
ساخت یک دستگاه حافظه کممصرف
با استفاده از این مواد، تیم یک مقاومت حافظه (memory resistor) به نام «ممریسور» (memristor) ساخت که با انرژی بسیار کمی کار میکند. بر خلاف مقاومتهای معمولی که مقاومت ثابتی در برابر جریان دارند و اطلاعات ذخیرهشده را از دست میدهند، ممریسورها میتوانند سابقه ای از فعالیت الکتریکی قبلی را حفظ کنند. آنها میتوانند جهت جریان قبلی را حتی پس از حذف منبع انرژی به خاطر بسپارند.
این آنها میتوانند اطلاعات را در همان محل ذخیره و پردازش کنند، همانند نوروندهای در مغز. چنین ساختاری میتواند فرمهای پیچیدهتر و همزمان. محققان میگویند، سیستمهای تجاری عملی نیاز به ظرفیت ذخیرهسازی و توان الکتریکی کافی دارند که بدون ظرفیت دیانزدی در ذخیرهسازی اطلاعات در فضای کوچک با مصرف انرژی کم، پاین پر هزینه و ناکارآمد شود.
«با افزایش تقاضا برای هوش مصنوعی، به یک استراتژی جدید برای دستگاههای کممصرف با ذخیره بالا نیاز داریم،» نغول شد بد پودل، نویسنده همکار و استاد تحقیقات علوم مهندسی المان دانشگاه پن. پودل گفت که هوش مصنوعی و سایر فناوری در حال ظهور به طور فزاینده به محاسبات نورومورفیک وابسته خواهند بود که طراحی شده تا بیشتر به مثل مغز انسان عمل کند. چنین سیستمهایی میتوانند چندین ورودی را به طور همزمان ارزیابی کنند و تصمیم بگیرند که از تجربیات قبلی و اولویتهای آینده الهام گستره. «معمولاً، ذخیرهسازی اطلاعات بیشتر به انرژی بیشتری نیاز دارد. با این حال، دستگاه ما ۱۰۰ برابر کمتر انرژی مصرف میکند و ظرفیت ذخیرهسازی بالاتری نسبت به دستگاههای ذخیره سنتی مانند درایوهای فلش دارد.»
مهندسی DNA برای هدایت جریان
برای ساخت این دستگاه، محققان نانوذرات نقره را به یک لایه از توالیهای DNA سفارشی - که به طور ویژه از نظر ممان الی ساختار مشخصی دارند - که با لایههای نازک پروسکویت ترکیب شده بودند، اضافه کردند.
این تکنیک «آلا» (doping) نامیده میشود، که ورود مقدار کمی از ماده دیگر است برای ایجاد خواص خاص. در این مورد، افزودن نانوذرات نقره باعث شد که DNA هدایت الکتریک را انجام دهد و همچنین به مولکولهای آن در آرایش منظمتر مرتب کمک میکند.
DNA مصنوعی همچنین یک مزیت مهم دیگر نسبت به دیانای طبیعی ارائه داد. بر خلاف DNA طبیعی - که یک مولکول طولانی و پیچیده است که رفتار آن مانند اسپاگتی خیس است - قطعات کوتاه و سخت DNA مصنوعی میتوانند با دقت بسیار بالاتری در مقیاسهای بسیار کوچک متصل شوند.
به گفته همکار تحقیق و همکار نویسنده نیلا اچ. یناوار، استاد تحقیقات و مدیر تسهیلات تعاملات بیومولکولی Huck، DNA مهندسی مولکولی میتواند ساختار سازمانی، هدایت الکتریکی قابل تنظیم و اثر کنترل عملکردی که DNA طبیعی نمیتواند در هنگام ادغام در لایههای نازک ایجاد کند، ارائه دهد.
«ما میتوانیم با محاسبات دقیق تعیین کنیم که چه توالی مورد نیاز است و چه طول برای آنها مناسب، پس از آن با دیانای مصنوعی میتوانیم نسبت به طراحی منطقی داشته باشیم.» ییناوار گفت. «این ساختارها میتوانند به صورت منظم با نقره و سایر یونها آلا شوند و طوری قرار گیرند که با پراسکیت یکپارچه شوند – تبدیل دیانای از یک پلیمر زیستی به یک پلتفرم نو مادهای قابل برنامهریزی و با عملکرد چندگانه.»
دیانای و پروسکیت بهتر هستند
وقتی ترکیب شدند، دیانای آلاییده با نقره و پروسکیت مسیرهای زیستی-ترکیبی را شکل دادند که جریان الکتریکی در دستگاه را تعیین میکند.
محققان دریافتند که با اعمال ولتاژ کمتر از ۰.۱ ولت الکترونها به طور قابل اعتماد حرکت میکنند - مقایسه با ۱۲۰ ولت خروجی استاندارد در ایالات متحده - و دستگاه در هنگام معکوس شدن جهت جریان به طور قابل پیشبینی عمل میکند.
ساختارهای دیانای دقیق همراه با پروسکیت، همچنین پایداری فوقالعاده دستگاه را ایجاد کردند. به عنوان تیم، این دستگاه در دماهای نزدیک به ≈ ۲۵۰ درجه فارنهایت به طور مداوم کار کرد و در دمای اتاق بیش از شش هفته، به طور قابلتوجهی بیشتر از استاندارد عملکرد دستگاههای ذخیرهسازی مبتنی بر پراکساید نگهداری شده قبلی، عمل کرد.
محققان همچنین گزارش دادند که سیستم جدید میتواند عملکرد مشابه حافظه را در دستگاههای مشابه انجام دهد در حالی که فقط یکدهم انرژی کمتر مصرف میکند. کارایی یکدهمی ممکن است این رویکرد را مخصوصاً برای الکترونیک آینده که نیاز به حجم بزرگ داده انرژی دارد جذاب کند.
«استفاده از DNA یا پروسکیت تنها، نتیجه نزدیک را به خوبی ترکیب آنها به دست نمیدهد،» کرمانن گفت. «این ترکیب است که چگالی ذخیرهسازی حافظه بسیار ی زیاد را با توان بسیار کم فراهم میکند.»
راهی جدید برای الکترونیک الهامگرفته از طبیعت
حالا تیم قصد دارد بهبود بیشر فناوری کند و کاربردهای بیشتری برای سیستمهای الکترونی الهامگرفته از طبیعت علمی دارد.
«طبیعت دارای راه حل است - ما فقط باید آن را کشف کنیم و اعمالش کنیم»، پودول گفت. «این کار یکپارچه DNAبا الکترونیک و انجام کارهای شگفت انگیز است،، برای دیدن آنچه پیوند است.»
به علاوه کرمان، یناور و پودل، همکاریک های دانشگاه پن عبارتند از: لو یاو، پسودفکتور علوم و مهندسی مواد؛ هائودو، دانشجوی دکتر این رشته؛ جی هائو ژنگ، که در زمان پژوهش دانشجوی ارشد مهندسی مواد و فارغالتحصیل شده از پن، شاشانک، دکترای مهندسی مواد؛ و چیرانت سی رای، که در زمان تحقیق دانشجوی کارشناسی ارشد در موسسه حیات هاق و فارغ گرادید؛ آخیناف گورتی و راشمی جها، هم مقاله نویسنده، دانشگاه مینهسوتا، نیز و مشارکت داشتند. و بنیاد ملی علوم آمریکا و انستیتو ملی بهداشت، پنسیلوانیا و مینسوتا حمایت کردهاند.