I en proof-of-concept-studie har forskare skapat självmonterade, proteinbaserade kretsar som kan utföra enkla logiska funktioner. Arbetet visar att det är möjligt att skapa stabila digitala kretsar som drar fördel av en elektrons egenskaper i kvantskala.

En av stötestenarna för att skapa molekylära kretsar är att när kretsstorleken minskar blir kretsarna opålitliga. Detta beror på att elektronerna som behövs för att skapa ström beter sig som vågor, inte partiklar, i kvantskalan. Till exempel, på en krets med två ledningar som är en nanometer från varandra, kan elektronen "tunnla" mellan de två ledningarna och effektivt vara på båda ställena samtidigt, vilket gör det svårt att kontrollera strömriktningen. Molekylära kretsar kan mildra dessa problem, men enkelmolekylära korsningar är kortlivade eller lågavkastande på grund av utmaningar förknippade med att tillverka elektroder i den skalan.

"Vårt mål var att försöka skapa en molekylär krets som använder tunnling till vår fördel, snarare än att kämpa mot det", säger Ryan Chiechi, docent i kemi vid North Carolina State University och medförfattare till en artikel som beskriver arbetet.

Chiechi och medförfattare Xinkai Qiu från University of Cambridge byggde kretsarna genom att först placera två olika typer av fullerenburar på mönstrade guldsubstrat. De sänkte sedan ner strukturen i en lösning av fotosystem ett (PSI), ett vanligt använt klorofyllproteinkomplex.

De olika fullerenerna inducerade PSI-proteiner att självmontera på ytan i specifika orienteringar, vilket skapar dioder och resistorer när toppkontakterna för gallium-indium flytande metalleutektikum, EGaIn, är tryckta ovanpå. Denna process både tar itu med nackdelarna med enkelmolekylövergångar och bevarar molekylär-elektronisk funktion.

"Där vi ville ha motstånd mönstrade vi en typ av fulleren på elektroderna som PSI självmonterar på, och där vi ville ha dioder mönstrade vi en annan typ", säger Chiechi. "Orienterad PSI likriktar ström - vilket betyder att den bara tillåter elektroner att flöda i en riktning. Genom att kontrollera nätorienteringen i ensembler av PSI kan vi diktera hur laddningen flödar genom dem."

Forskarna kopplade ihop de självmonterade proteinensemblerna med mänskligt tillverkade elektroder och gjorde enkla logiska kretsar som använde elektrontunnlarbeteende för att modulera strömmen.

"Dessa proteiner sprider elektronvågsfunktionen och förmedlar tunnling på sätt som fortfarande inte är helt förstådda", säger Chiechi. "Resultatet är att trots att den är 10 nanometer tjock, fungerar den här kretsen på kvantnivå och arbetar i en tunnlingsregim. Och eftersom vi använder en grupp av molekyler, snarare än enstaka molekyler, är strukturen stabil. Vi kan faktiskt skriva ut elektroder ovanpå dessa kretsar och bygg enheter."

Forskarna skapade enkla diodbaserade OCH/ELLER-logiska grindar från dessa kretsar och införlivade dem i pulsmodulatorer, som kan koda information genom att slå på eller stänga av en ingångssignal beroende på spänningen på en annan ingång. De PSI-baserade logikkretsarna kunde koppla om en 3,3 kHz ingångssignal – som, även om den inte är jämförbar i hastighet med moderna logikkretsar, fortfarande är en av de snabbaste molekylära logikkretsarna som hittills rapporterats.

"Detta är en proof-of-concept rudimentär logikkrets som förlitar sig på både dioder och motstånd," säger Chiechi. "Vi har visat här att du kan bygga robusta, integrerade kretsar som fungerar vid höga frekvenser med proteiner.

"När det gäller omedelbar användbarhet kan dessa proteinbaserade kretsar leda till utvecklingen av elektroniska enheter som förbättrar, ersätter och/eller utökar funktionaliteten hos klassiska halvledare."

Forskningen visas i Nature Communications . + Utforska vidare

Ett metamaterialbaserat klockdistributionsnätverk för att bygga stora supraledande chips