ترکیب پروتئین و فولرن برای ساخت مدار های منطقی - تور آسیایی ارزان

به گزارش گروه دانشگاه خبرنگاران، محققان نشان دادند که با ترکیب پروتئین و فولرین می توان مدار های منطقی ایجاد کرد که اشکالات مدار های مولکولی نانومقیاس فعلی را نداشته باشد.

در یک پروژه تحقیقاتی در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، محققان مدار های خودآرایی شده مبتنی بر پروتئین ایجاد کردند که می توانند عملکرد های منطقی ساده ای را انجام دهند. این کار نشان می دهد که می توان مدار های دیجیتالی پایداری ایجاد کرد که از خواص الکترون در مقیاس های کوانتومی استفاده نمایند.

یکی از موانع در ایجاد مدار های مولکولی این است که با کاهش میزان مدار، مدار ها غیرقابل اعتماد می شوند. این مشکل به این علت است که الکترون های مورد احتیاج برای ایجاد جریان در مقیاس کوانتومی مانند امواج و نه ذرات رفتار می نمایند. به عنوان مثال، در مداری با دو سیم که یک نانومتر از هم فاصله دارند، الکترون می تواند بین دو سیم تونل بزند و به طور موثر در هر دو مکان به طور همزمان باشد و کنترل جهت جریان را سخت کند. مدار های مولکولی می توانند این مسائل را کاهش دهند، اما اتصالات تک مولکولی به علت چالش های مرتبط با ساخت الکترود ها در آن مقیاس، عمر کوتاه یا کم بازدهی دارند.

رایان چیچی، دانشیار شیمی در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی و از نویسندگان این مقاله می گوید: هدف ما کوشش برای ایجاد یک مدار مولکولی بود که از تونل زدن به نفع ما، نه برعلیه ما، استفاده می نماید.

رایان چیچی و زینکای کیو از دانشگاه کمبریج، مدار ها را با قرار دادن دو نوع مختلف قفس فولرن روی زیرلایه های طلای طرح دار ساختند. آن ها سپس این ساختار را در محلولی از فتوسیستم یک (PSI)، یک کمپلکس پروتئینی کلروفیل نوع 2 که به صورت رایج مورد استفاده قرار می گیرد، غوطه ور کردند. فولرن های مختلف پروتئین های PSI را وادار می نمایند تا در جهت های خاص روی سطح جمع شوند و زمانی که فلز مایع گالیوم-ایندیوم یوتکتیک، EGaIn، روی سطح چاپ می گردد، دیود ها و مقاومت هایی را ایجاد می نمایند. این فرآیند هم اشکالات اتصالات تک مولکولی را رفع می نماید و هم عملکرد مولکولی-الکترونیکی را حفظ می نماید.

چیچی می گوید: در جا هایی که مقاومت می خواستیم، یک نوع فولرن را روی الکترود هایی که PSI روی آن ها خود خودآرایی می دهد الگودهی می کردیم، و در جایی که دیود می خواستیم، نوع دیگری را الگودهی می کردیم. PSI جهت دار، جریان را اصلاح می نماید، به این معنی که فقط به الکترون ها اجازه می دهد در یک جهت جریان داشته باشند. با کنترل جهت گیری در مجموعه های PSI، می توانیم نحوه عبور بار از آن ها را دیکته کنیم.

محققان کمپلکس های پروتئینی خودآرا را با الکترود هایی که در آزمایشگاه ساختند، جفت کردند و مدار های منطقی ساده ای ساختند که از رفتار تونل زنی الکترون برای تعدیل جریان استفاده می کرد. چیچی می گوید: این پروتئین ها موج الکترونی را پراکنده می نمایند و تونل سازی را به روش هایی که هنوز به طور کامل درک نشده اند، مدیریت می نمایند. نتیجه این است که علیرغم ضخامت 10 نانومتری، این مدار در سطح کوانتومی عمل می نماید. از انجایی که به جای مولکول های منفرد، ما از گروهی از مولکول ها استفاده می کنیم، این ساختار پایدار است. ما در واقع می توانیم الکترود ها را چاپ کنیم.

محققان گیت های منطقی AND/OR ساده مبتنی بر دیود را از این مدار ها ایجاد کردند و آن ها را در تعدیل نماینده های پالس گنجانیدند، که می توانند با روشن یا خاموش کردن یک سیگنال ورودی بسته به ولتاژ ورودی دیگر، اطلاعات را رمزگذاری نمایند. مدار های منطقی مبتنی بر PSI قادر به سوئیچ کردن یک سیگنال ورودی 3.3 کیلوهرتز بودند که اگرچه از نظر سرعت با مدار های منطقی مدرن قابل مقایسه نیست، اما یکی از سریع ترین مدار های منطق مولکولی است که تا به امروز گزارش شده است.

چیچی می گوید: این یک مدار منطقی ابتدایی است که هم بر دیود ها و هم بر مقاومت ها متکی است. ما در اینجا نشان داده ایم که می توانید مدار های یکپارچه و قوی بسازید که در فرکانس های بالا با پروتئین ها کار می نمایند.

از نظر کاربرد فوری، این مدار های مبتنی بر پروتئین می توانند به توسعه دستگاه های الکترونیکی منجر شوند که عملکرد نیمه هادی های کلاسیک را تقویت نموده یا جایگزین آن ها می شوند.

نتایج این تحقیق در Nature Communications به چاپ رسیده است.