Мемристорные материалы: исследование необычных источников

Из мед в твоем чае с кровь В ваших жилах материалы, окружающие вас, таят в себе скрытый талант. Некоторые из этих веществ, если их сконструировать определенным образом, могут действовать как мемристоры — электрические компоненты, которые могут «запоминать» прошлые состояния.

Мемристоры часто используются в чипах, которые одновременно выполняют вычисления и хранят данные. Это устройства, которые хранят данные в виде определенных уровней сопротивления. Сегодня они представляют собой тонкий слой диоксид титана или подобное диэлектрик материал, зажатый между двумя металлическими электродами. Подача достаточного напряжения на устройство приводит к тому, что крошечные области в диэлектрическом слое, где отсутствуют атомы кислорода, образуют нити, которые соединяют электроды или иным образом перемещаются таким образом, что делает слой более проводящим. Изменение напряжения отменяет процесс. Таким образом, этот процесс по существу дает мемристор память о прошлой электрической активности.

В прошлом месяце, исследуя электрические свойства грибов, группа из The Университет штата Огайо обнаружил на собственном опыте, что некоторые органические мемристоры имеют преимущества по сравнению с теми, которые изготовлены из обычных материалов. Не только может шиитаке действуют как мемристорнапример, но он может быть полезен в аэрокосмической или медицинской практике, поскольку гриб демонстрирует высокий уровень радиация сопротивление. По словам ведущего исследователя, проект «действительно превратился в нечто крутое». Джон ЛаРокко говорит с ухмылкой.

Исследователи узнали, что другие неожиданные материалы могут дать мемристорам преимущество. Они могут быть более гибкими, чем типичные мемристоры, или даже биоразлагаемыми. Вот как они сделали мемристоры из странных материалов и какую потенциальную пользу могут принести эти странные устройства:

Грибы

ЛаРокко и его коллеги искали прокси-сервер для работы мозга, который можно было бы использовать в электрическая стимуляция исследования, когда они наткнулись на что-то интересное: грибы шиитаке способны обучаться аналогично тому, как мемристоры.

Группа решила оценить, насколько хорошо шиитаке запоминают электрические состояния, сначала вырастив девять образцов и создав оптимальные условия выращивания, в том числе скармливая им смесь фарро, пшеницы и сена.

После полного созревания грибы сушили и регидратировали до уровня, при котором они обладали умеренной проводимостью. В этом состоянии структура грибов включает проводящие пути, имитирующие кислородные вакансии в коммерческих мемристорах. Ученые подключили их к схемам и провели испытания напряжения, частоты и памяти. Результат? Грибные мемристоры.

По словам ЛаРокко, это может пахнуть «странно», но шиитаке работает на удивление хорошо по сравнению с обычными мемристорами. Примерно в 90 процентах случаев гриб сохраняет идеальное мемристорное поведение для сигналов частотой до 5,85 килогерц. По его словам, в то время как традиционные материалы могут функционировать на частотах на несколько порядков быстрее, для биологических материалов эти цифры заметны.

Недостаток грибов в производительности они могут компенсировать другими свойствами. Во-первых, многие грибы, в том числе шиитаке, обладают высокой устойчивостью к радиации и другим опасностям окружающей среды. «Они растут в бревнах в Фукусима и множество очень суровых уголков мира, и это одна из привлекательных сторон», — говорит ЛаРокко.

Шиитаке также является экологически чистым продуктом, который уже коммерциализирован. «Их уже выращивают в больших количествах», — объясняет ЛаРокко. «Можно было бы просто использовать существующие логистические цепочки», если отрасль хотела коммерциализировать грибные мемристоры. По его мнению, варианты использования этого продукта будут нишевыми и будут сосредоточены на радиационной стойкости, которой может похвастаться шиитаке. Гриб графические процессоры маловероятны, говорит ЛаРокко, но он видит потенциал для аэрокосмического и медицинского применения.

Мед

В 2022 году инженеры Университета штата Вашингтон заинтересуются зеленая электроника намеревался изучать если бы мед мог служить хорошим мемристором. «Современная электроника генерирует 50 миллионов тонн электронные отходы ежегодно, при этом перерабатывается лишь около 20 процентов», — говорит Фэн Чжаокоторый руководил работой и сейчас работает в Университете науки и технологий Миссури. «Мед предлагает биоразлагаемую альтернативу».

Исследователи сначала смешали коммерческий мед с водой и хранили его в вакууме, чтобы удалить пузырьки воздуха. Затем они намазали смесь на кусок меди, обожгли всю стопку при температуре 90 °C в течение девяти часов, чтобы стабилизировать ее, и, наконец, закрыли ее сверху круглыми медными электродами, завершив сэндвич мемристора на основе меда.

Полученный слой меда толщиной 2,5 микрометра действовал как оксидный диэлектрик в обычных мемристорах: место, где формировались и растворялись проводящие пути, изменяя сопротивление в зависимости от напряжения. В этой установке при подаче напряжения медные нити проходят через мед.

Мемристор на основе меда был способен переключаться с низкого сопротивления на высокое за 500 наносекунд и обратно на низкое за 100 наносекунд, что сравнимо со скоростями в некоторые мемристивные материалы непищевого происхождения.

Одним из преимуществ меда является то, что он «дешев и широко доступен, что делает его привлекательным кандидатом для масштабируемого производства», — говорит Чжао. Он также «полностью биоразлагаем и растворяется в воде, не образуя токсичных отходов». Однако в статье 2022 года исследователи отмечают, что для того, чтобы устройство на основе меда было по-настоящему биоразлагаемым, медные компоненты необходимо будет заменить растворимыми металлами. Они предлагают такие варианты, как магний и вольфрамно также пишут, что работоспособность мемристоров из этих металлов пока «исследуется».

Кровь

Считая это потенциальным средством доставки здравоохранениегруппа в Индия задавался вопросом если бы кровь могла стать хорошим мемристором в 2011 году, всего через три года после первый мемристор был построен.

Эксперименты были довольно простыми. Исследователи наполнили пробирку свежей человеческой кровью типа О+ и вставили в нее два проводящих проволочных зонда. Провода были соединены с источником питания, образуя целостную цепь, и неоднократно подавались напряжения в один, два и три вольта. Затем, чтобы проверить мемристорные свойства крови в том виде, в каком она существует в человеческом организме, исследователи установили «режим потока», который подавал напряжение на кровь, когда она вытекала из трубки, со скоростью до одной капли в секунду.

Эксперименты были предварительными и измеряли только ток, проходящий через кровь, но сопротивление можно было устанавливать, прикладывая напряжение. Важно отметить, что сопротивление изменилось менее чем на 10 процентов за 30-минутный период после подачи напряжения. В Международный журнал медицинской инженерии и информатикиУченые написали, что благодаря этим наблюдениям их изобретение «выглядит как мемристор человеческой крови».

Они предположили, что эти знания могут быть полезны при лечении болезней. У больных людей может наблюдаться ионный дисбаланс в определенных частях тела. Почему бы вместо того, чтобы прописывать лекарства, использовать компонент схемы, изготовленный из человеческой ткани, для решения этой проблемы? В последние годы мемристоры на основе крови были протестированы другими учеными в качестве средства лечения различных заболеваний: высокий уровень сахара в крови к близорукость.