Tricorder Tech: гибридные транзисторы создают основу для интеграции биологии и микроэлектроники

Микропроцессор вашего телефона может содержать более 15 миллиардов крошечных транзисторов. Транзисторы сделаны из кремния, металлов, таких как золото и медь, и изоляторов, которые вместе принимают электрический ток и преобразуют его в 1 и 0 для передачи информации и ее хранения. Материалы транзисторов неорганические, в основном полученные из камня и металла.

Но что, если бы вы могли сделать эти фундаментальные электронные компоненты частично биологическими, способными напрямую реагировать на окружающую среду и изменяться, как живая ткань?

Именно это сделала команда Silklab Университета Тафтса, когда они создали транзисторы, заменив изолирующий материал биологическим шелком. О своих выводах они сообщили в Advanced Materials.

Фиброин шелка — структурный белок шелковых волокон — можно точно наносить на поверхности и легко модифицировать другими химическими и биологическими молекулами для изменения его свойств. Функционализированный таким образом шелк может улавливать и обнаруживать широкий спектр компонентов тела или окружающей среды.

В первой демонстрации прототипа устройства команда использовала гибридные транзисторы для создания высокочувствительного и сверхбыстрого датчика дыхания, обнаруживающего изменения влажности. Дальнейшие модификации шелкового слоя могут позволить устройствам обнаруживать некоторые сердечно-сосудистые и легочные заболевания, а также апноэ во сне или определять уровни углекислого газа и других газов и молекул в дыхании, что может предоставить диагностическую информацию. При использовании с плазмой крови они потенциально могут предоставить информацию об уровнях оксигенации и глюкозы, циркулирующих антителах и многом другом.

До разработки гибридных транзисторов лаборатория Silklab, возглавляемая Фиоренцо Оменетто, профессором инженерии Фрэнка К. Добла, уже использовала фиброин для изготовления биоактивных чернил для тканей, которые могут обнаруживать изменения в окружающей среде или на теле, распознавая татуировки. датчики, которые можно напечатать на любой поверхности для обнаружения патогенов, таких как вирус, вызывающий COVID19.

Как это работает

Транзистор — это просто электрический переключатель, в который входит металлический электрический провод, а другой выходит. Между выводами находится полупроводниковый материал, названный так потому, что он не способен проводить электричество, если его не уговорить.

Другой источник электрического ввода, называемый воротами, отделен от всего остального изолятором. Затвор действует как «ключ» для включения и выключения транзистора. Он запускает включенное состояние, когда пороговое напряжение, которое мы назовем «1», создает электрическое поле на изоляторе, запуская движение электронов в полупроводнике и запуская поток тока через выводы.

В биологическом гибридном транзисторе слой шелка используется в качестве изолятора, и когда он поглощает влагу, он действует как гель, перенося все ионы (электрически заряженные молекулы), содержащиеся внутри. Ворота переводят во включенное состояние путем перестановки ионов в шелковом геле. Изменяя ионный состав шелка, меняется работа транзистора, что позволяет запускать его при любом значении затвора от нуля до единицы.

«Можно представить себе создание схем, которые используют информацию, которая не представлена ​​дискретными двоичными уровнями, используемыми в цифровых вычислениях, но могут обрабатывать переменную информацию, как и в аналоговых вычислениях, с изменениями, вызванными изменением того, что находится внутри шелкового изолятора», — сказал Оменетто. «Это открывает возможность внедрения биологии в вычисления в современных микропроцессорах», — сказал Оменетто. Конечно, самым мощным из известных биологических компьютеров является мозг, который обрабатывает информацию с помощью химических и электрических сигналов разного уровня.

Технической задачей создания гибридных биологических транзисторов было достижение обработки шелка на наноуровне, вплоть до 10 нм или менее 1/10 000 диаметра человеческого волоса. «Достигнув этого, мы теперь можем производить гибридные транзисторы с использованием тех же производственных процессов, которые используются для коммерческого производства чипов», — сказал Бом Джун Ким, постдокторант из Инженерной школы. «Это означает, что вы можете сделать миллиард таких устройств с возможностями, доступными сегодня».

Наличие миллиардов транзисторных узлов с соединениями, реконфигурируемыми биологическими процессами в шелке, может привести к созданию микропроцессоров, которые смогут действовать как нейронные сети, используемые в искусственном интеллекте. «Забегая вперед, можно было бы представить себе интегральные схемы, которые обучаются, реагируют на сигналы окружающей среды и записывают память непосредственно в транзисторы, а не отправляют ее в отдельное хранилище», — сказал Оменетто.

Устройства, обнаруживающие и реагирующие на более сложные биологические состояния, а также крупномасштабные аналоговые и нейроморфные вычисления еще предстоит создать. Оменетто с оптимизмом смотрит на будущие возможности. «Это открывает новый взгляд на взаимодействие электроники и биологии, и впереди ждет множество важных фундаментальных открытий и приложений».

Бимодальный вентильный механизм в гибридных тонкопленочных транзисторах на основе динамически реконфигурируемых наноразмерных биополимерных интерфейсов

Астробиология