Forskere lager selvmonterte logiske kretser fra proteiner

I en proof-of-concept-studie har forskere laget selvmonterte, proteinbaserte kretser som kan utføre enkle logiske funksjoner. Arbeidet demonstrerer at det er mulig å lage stabile digitale kretser som utnytter et elektrons egenskaper på kvanteskalaer.

En av snublesteinene i å skape molekylært kretser er at når kretsstørrelsen reduseres, blir kretsene upålitelige. Dette er fordi elektronene som trengs for å skape strøm, oppfører seg som bølger, ikke partikler, på kvanteskalaen. For eksempel, på en krets med to ledninger som er en nanometer fra hverandre, kan elektronet “tunnelere” mellom de to ledningene og effektivt være begge steder samtidig, noe som gjør det vanskelig å kontrollere strømmens retning. Molekylære kretser kan dempe disse problemene, men enkeltmolekylforbindelser er kortvarige eller gir lavt på grunn av utfordringer forbundet med å lage elektroder i den skalaen.

“Målet vårt var å prøve å lage en molekylær krets som bruker tunneling til vår fordel, i stedet for å kjempe mot det,” sier Ryan Chiechi, førsteamanuensis i kjemi ved North Carolina State University og medkorresponderende forfatter av en artikkel som beskriver arbeidet.

Chiechi og medkorresponderende forfatter Xinkai Qiu fra University of Cambridge bygde kretsene ved først å plassere to forskjellige typer fullerenbur på mønstrede gullsubstrater. Deretter senket de strukturen ned i en løsning av fotosystem en (PSI), et vanlig brukt klorofyll protein kompleks.

De forskjellige fullerenene induserte PSI-proteiner til å montere seg selv på overflaten i spesifikke orienteringer, og skaper dioder og motstander når toppkontaktene til gallium-indium flytende metalleutektikum, EGaIn, er trykt på toppen. Denne prosessen både adresserer ulempene ved enkeltmolekylforbindelser og bevarer molekylær-elektronisk funksjon.

“Der vi ønsket motstander mønstret vi en type fulleren på elektrodene som PSI monterer selv på, og der vi ønsket dioder mønstret vi en annen type,” sier Chiechi. “Orientert PSI retter opp strøm – noe som betyr at det bare lar elektroner strømme i én retning. Ved å kontrollere nettorienteringen i ensembler av PSI, kan vi diktere hvordan ladningen flyter gjennom dem.”

Forskerne koblet de selvmonterte proteinensemblene med menneskelagde elektroder og gjorde det enkelt logikk kretser som brukte elektrontunneleringsadferd for å modulere strømmen.

“Disse proteinene sprer elektronbølgefunksjonen, og formidler tunnelering på måter som fortsatt ikke er helt forstått,” sier Chiechi. “Resultatet er at til tross for at den er 10 nanometer tykk, fungerer denne kretsen på kvantenivå, og opererer i et tunnelregime. Og fordi vi bruker en gruppe molekyler, i stedet for enkeltmolekyler, er strukturen stabil. Vi kan faktisk skrive ut elektroder. på toppen av disse kretsene og bygg enheter.”

Forskerne laget enkle diodebaserte OG/ELLER logiske porter fra disse kretsene og innlemmet dem i pulsmodulatorer, som kan kode informasjon ved å slå ett inngangssignal på eller av avhengig av spenningen til en annen inngang. De PSI-baserte logiske kretsene var i stand til å bytte et 3,3 kHz inngangssignal – som, selv om det ikke kan sammenlignes i hastighet med moderne logiske kretser, fortsatt er en av de raskeste molekylære logiske kretsene som hittil er rapportert.

“Dette er en proof-of-concept rudimentær logikkkrets som er avhengig av både dioder og motstander,” sier Chiechi. “Vi har vist her at du kan bygge robuste, integrerte kretser som fungerer ved høye frekvenser med proteiner.

“Når det gjelder umiddelbar nytte, kan disse proteinbaserte kretsene føre til utvikling av elektroniske enheter som forbedrer, erstatter og/eller utvider funksjonaliteten til klassiske halvledere.”

Forskningen vises i Naturkommunikasjon.

---

---