In uno studio proof-of-concept, i ricercatori hanno creato circuiti autoassemblati a base di proteine ​​in grado di svolgere semplici funzioni logiche. Il lavoro dimostra che è possibile creare circuiti digitali stabili che sfruttano le proprietà di un elettrone su scala quantistica.

Uno degli ostacoli nella creazione di circuiti molecolari è che man mano che le dimensioni del circuito diminuiscono, i circuiti diventano inaffidabili. Questo perché gli elettroni necessari per creare corrente si comportano come onde, non come particelle, su scala quantistica. Ad esempio, su un circuito con due fili distanti un nanometro, l'elettrone può "galleggiare" tra i due fili e trovarsi effettivamente in entrambi i punti contemporaneamente, rendendo difficile il controllo della direzione della corrente. I circuiti molecolari possono mitigare questi problemi, ma le giunzioni a singola molecola sono di breve durata oa basso rendimento a causa delle sfide associate alla fabbricazione di elettrodi su quella scala.

"Il nostro obiettivo era provare a creare un circuito molecolare che utilizzasse il tunneling a nostro vantaggio, piuttosto che combatterlo", afferma Ryan Chiechi, professore associato di chimica alla North Carolina State University e co-autore corrispondente di un articolo che descrive il lavoro.

Chiechi e l'autore corrispondente Xinkai Qiu dell'Università di Cambridge hanno costruito i circuiti posizionando prima due diversi tipi di gabbie fullerene su substrati d'oro modellati. Hanno quindi immerso la struttura in una soluzione di fotosistema uno (PSI), un complesso proteico della clorofilla comunemente usato.

I diversi fullereni hanno indotto le proteine ​​PSI ad autoassemblarsi sulla superficie con orientamenti specifici, creando diodi e resistori una volta che i contatti superiori dell'eutettico di metallo liquido gallio-indio, EGaIn, sono stati stampati sopra. Questo processo risolve gli svantaggi delle giunzioni a singola molecola e preserva la funzione molecolare-elettronica.

"Dove volevamo resistori, abbiamo modellato un tipo di fullerene sugli elettrodi su cui PSI si autoassembla, e dove volevamo diodi abbiamo modellato un altro tipo", afferma Chiechi. "Il PSI orientato rettifica la corrente, il che significa che consente agli elettroni di fluire solo in una direzione. Controllando l'orientamento netto negli insiemi di PSI, possiamo dettare il modo in cui la carica scorre attraverso di essi."

I ricercatori hanno accoppiato gli insiemi proteici autoassemblati con elettrodi di fabbricazione umana e hanno realizzato circuiti logici semplici che utilizzavano il comportamento del tunneling degli elettroni per modulare la corrente.

"Queste proteine ​​disperdono la funzione d'onda degli elettroni, mediando il tunneling in modi che non sono ancora completamente compresi", afferma Chiechi. "Il risultato è che, nonostante sia spesso 10 nanometri, questo circuito funziona a livello quantistico, operando in un regime di tunneling. E poiché stiamo usando un gruppo di molecole, anziché singole molecole, la struttura è stabile. Possiamo effettivamente stampare elettrodi in cima a questi circuiti e costruisci dispositivi."

I ricercatori hanno creato semplici porte logiche AND/OR basate su diodi da questi circuiti e le hanno incorporate in modulatori di impulsi, che possono codificare le informazioni accendendo o spegnendo un segnale di ingresso a seconda della tensione di un altro ingresso. I circuiti logici basati su PSI sono stati in grado di commutare un segnale di ingresso a 3,3 kHz, che, sebbene non sia paragonabile in termini di velocità ai moderni circuiti logici, è ancora uno dei circuiti logici molecolari più veloci mai segnalati.

"Questo è un circuito logico rudimentale proof-of-concept che si basa su diodi e resistori", afferma Chiechi. "Abbiamo mostrato qui che puoi costruire circuiti integrati robusti che funzionano ad alte frequenze con le proteine.

"In termini di utilità immediata, questi circuiti a base di proteine ​​potrebbero portare allo sviluppo di dispositivi elettronici che potenziano, soppiantano e/o estendono la funzionalità dei semiconduttori classici."

La ricerca appare in Nature Communications . + Esplora ulteriormente

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