Исследователь из Университета Небраски в Линкольне на один шаг ближе к разработке нового типа транзисторного чипа, который использует биологические реакции живых организмов для пропускания тока через устройство, проливая свет на клеточную активность на беспрецедентном уровне чувствительность. В конце концов, этот «живой» чип может позволить более быструю и простую диагностику сепсиса, пролить свет на понимание устойчивости к антибиотикам и поддержать усилия по разработке нейроморфных устройств, имитирующих человеческий мозг.

В статье, недавно опубликованной в ACS Applied Nano Materials, Рави Сараф подробно описывает разработку его командой крошечных сетей самосборных ожерелий из золотых частиц. Каждая сеть имеет размер около 25 микрометров, что составляет примерно четверть диаметра человеческого волоса. При подключении эти сети служат проводником для тока, который можно регулировать в виде транзистора.

Структурная сложность сети делает транзистор примерно в 1000 раз более чувствительным к внешним воздействиям, чем современные современные металлические устройства.

Исследование знаменует собой первый случай использования структуры золотого ожерелья в транзисторе, и этот подход позволяет команде Сарафа преодолеть давнее препятствие в этой области физики устройств. На сегодняшний день ученые полагаются на так называемый эффект кулоновской блокады -; метод, который контролирует ток, заряжая определенные наночастицы одним электроном; разработать небольшие высокочувствительные металлические транзисторы с низким энергопотреблением. Но этот процесс работает только при чрезвычайно низкой температуре, около минус 325 градусов по Фаренгейту, что ограничивает его применение.

Морфология ожерелья обходит эту проблему, вводя сложную сеть, которая определяет каналы, по которым может проходить ток. Сараф провел аналогию с тысячами межштатных автомагистралей, улиц и грунтовых дорог, соединяющих восточное и западное побережья Соединенных Штатов. При традиционном подходе к кулоновской блокаде «транспортный поток», или ток, регулируется путем установки небольших баррикад в виде единого электронного заряда на большинстве крупных транспортных магистралей. Но при комнатной температуре барьеры преодолеваются, стирая эффект.

Инновация Сарафа позволяет более эффективно управлять потоком трафика: открывать и закрывать части проводящих каналов сети.

«Дороги всегда были там, но мы регулируем транспортный поток, контролируя, какие дороги используются», – сказали Сараф, Лоуэлл Э. и Бетти Андерсон, заслуженный профессор химии и биомолекулярных технологий. инженерное дело. «Теперь, когда участвует целый дополнительный набор дорог, ток значительно увеличивается. Открывая больше дорог, вы можете создать устройство с такими же характеристиками передачи тока, что и криогенный цельнометаллический транзистор, работающий на кулоновской блокаде, но это функционирует при комнатной температуре, а регулирование тока может быть более чем в 1000 раз выше ».

Сараф сказал, что архитектура сетей может быть адаптирована для введения дополнительных свойств, таких как электролюминесценция или магнетизм, посредством процесса, называемого наноцементированием. Это наделяет ожерелья памятью, позволяя им играть роль во все более сложных нейроморфных устройствах. Эти инструменты имитируют работу мозга и усиливают возможности искусственного интеллекта.

По его словам, одним из самых захватывающих открытий этого исследования является критическое явление, регулирующее транзистор. В отличие от устройств кулоновской блокады, опрокидывающий потенциал для включения тока в транзисторе Сарафа не изменяется при стробировании. Его команда показала, что при включении и выключении каналов топология сети неизменна. Это универсальное поведение, наряду с памятью, вызванной наноцементированием, может когда-нибудь привести к появлению устройств с несколькими терминалами, которые могут функционировать как аналоги нейронной сети человека.

Функциональность при комнатной температуре открывает перед командой Сарафа возможность реализовать еще одну новую концепцию: размещение живых клеток -; которые нуждаются в воде и не выдержат очень низких температур -; на микросхеме, и используя их биологические реакции, чтобы пропустить ток через устройство.

«Когда вы даете живой клетке что-то вроде лекарства, питательного вещества или антибиотика, которое вызывает биохимическую активность, и эти реакции изменяют поверхностный потенциал клетки», Сараф сказал. «Это имеет тот же эффект, что и приложение внешнего напряжения для затвора тока».

Один из способов использования устройства – это строительный блок для микросхемы, состоящей из 10–12 транзисторов, каждый из которых может подключаться к отдельной ячейке через микролунку. Когда колония клеток помещается на чип и затем стимулируется, клетки в лунках будут управлять током. Ученые могли анализировать ток, чтобы точно определить, что происходит в колонии, включая важную информацию о межклеточной коммуникации.

Чип может проложить путь к более детальному пониманию устойчивости к антибиотикам, которая возникает, когда бактерии и грибы, работая в команде, учатся уклоняться от лекарств, которые должны их убить. Наблюдая за схемами электрического тока, возникающего при воздействии на клетки различных антибиотиков, ученые могут узнать больше о том, как клетки уклоняются от лечения: потенциально снижая ежегодные затраты Соединенных Штатов на борьбу с противомикробными препаратами в размере 55 миллиардов долларов в год.

Сараф считает, что чип может серьезно повлиять на борьбу с сепсисом, опасным и экстремальным ответом на инфекцию. Принятие своевременного решения об оптимальной комбинации антибиотиков для лечения этого состояния может иметь значение для жизни и смерти. Сегодня это определение требует культивирования клеток, что занимает несколько дней. В будущем технология Сарафа может сократить этот временной интервал до нескольких часов: бактерии в крови будут помещены на чип и подвергнуты воздействию группы антибиотиков. Оценивая выходную мощность тока, врачи могли определить идеальный режим.

Еще одно возможное применение – машинное обучение. Ученые могли использовать чип в качестве «искусственного носа», соотнося совокупную реакцию клеточной колонии на сложную среду, состоящую из токсичных химикатов и физических условий.

Работа группы финансировалась Исследовательской лабораторией командования по развитию боевых возможностей армии США, чьи интересы сосредоточены на биологических применениях транзисторов.

Сараф связан с Центром материалов и нанонауки Небраски, где его команда изготовила часть микросхемы. Студенты Husker Абхиджит Прасад и Аашиш Субеди внесли свой вклад в эту работу.

Источник: https://research.unl.edu/[19459007visible