Forscher stellen aus Proteinen selbstorganisierte Logikschaltungen her

In einer Proof-of-Concept-Studie haben Forscher selbst zusammengesetzte, proteinbasierte Schaltkreise geschaffen, die einfache Logikfunktionen ausführen können. Die Arbeit zeigt, dass es möglich ist, stabile digitale Schaltkreise zu erstellen, die die Eigenschaften eines Elektrons auf Quantenebene nutzen.

Einer der Stolpersteine ​​bei der Erstellung molekularer Schaltkreise besteht darin, dass die Schaltkreise mit abnehmender Schaltkreisgröße unzuverlässig werden. Dies liegt daran, dass sich die Elektronen, die zur Erzeugung von Strom benötigt werden, auf der Quantenskala wie Wellen und nicht wie Teilchen verhalten. Beispielsweise kann das Elektron in einem Schaltkreis mit zwei Drähten, die einen Nanometer voneinander entfernt sind, zwischen den beiden Drähten „tunneln“ und effektiv an beiden Stellen gleichzeitig sein, was es schwierig macht, die Richtung des Stroms zu steuern. Molekulare Schaltkreise können diese Probleme mildern, aber Einzelmolekülverbindungen sind aufgrund der Herausforderungen, die mit der Herstellung von Elektroden in diesem Maßstab verbunden sind, kurzlebig oder ertragsschwach.

„Unser Ziel war es, einen molekularen Schaltkreis zu schaffen, der das Tunneln zu unserem Vorteil nutzt, anstatt dagegen anzukämpfen“, sagt Ryan Chiechi, außerordentlicher Professor für Chemie an der North Carolina State University und Mitautor eines Artikels, der die Arbeit beschreibt.

Chiechi und der Co-korrespondierende Autor Xinkai Qiu von der University of Cambridge bauten die Schaltkreise, indem sie zunächst zwei verschiedene Arten von Fulleren-Käfigen auf strukturierten Goldsubstraten platzierten. Anschließend tauchten sie die Struktur in eine Lösung von Photosystem One (PSI), einem häufig verwendeten Chlorophyll-Proteinkomplex.

Die verschiedenen Fullerene veranlassten PSI-Proteine ​​dazu, sich auf der Oberfläche in bestimmten Orientierungen selbst zusammenzusetzen, wodurch Dioden und Widerstände erzeugt wurden, sobald die oberen Kontakte des Gallium-Indium-Flüssigmetall-Eutektikums EGaIn darauf gedruckt wurden. Dieser Prozess adressiert sowohl die Nachteile von Einzelmolekülverbindungen als auch bewahrt die molekularelektronische Funktion.

„Wo wir Widerstände wollten, haben wir einen Typ von Fulleren auf den Elektroden gemustert, auf denen sich PSI selbst zusammensetzt, und wo wir Dioden wollten, haben wir einen anderen Typ gemustert“, sagt Chiechi. „Orientiertes PSI richtet Strom gleich – was bedeutet, dass Elektronen nur in eine Richtung fließen können. Indem wir die Nettoausrichtung in PSI-Ensembles steuern, können wir bestimmen, wie Ladung durch sie fließt.“

Die Forscher koppelten die selbstorganisierten Protein-Ensembles mit von Menschen hergestellten Elektroden und erstellten einfache Logikschaltkreise, die das Tunnelverhalten von Elektronen nutzten, um den Strom zu modulieren.

„Diese Proteine ​​streuen die Elektronenwellenfunktion und vermitteln das Tunneln auf eine noch nicht vollständig verstandene Weise“, sagt Chiechi. „Das Ergebnis ist, dass dieser Schaltkreis trotz seiner Dicke von 10 Nanometern auf Quantenebene funktioniert und in einem Tunnelregime arbeitet. Und weil wir eine Gruppe von Molekülen anstelle von einzelnen Molekülen verwenden, ist die Struktur stabil. Wir können tatsächlich Elektroden drucken auf diesen Schaltkreisen aufbauen und Geräte bauen.“

Die Forscher erstellten aus diesen Schaltungen einfache diodenbasierte UND/ODER-Logikgatter und bauten sie in Pulsmodulatoren ein, die Informationen codieren können, indem sie ein Eingangssignal abhängig von der Spannung eines anderen Eingangs ein- oder ausschalten. Die PSI-basierten Logikschaltungen waren in der Lage, ein 3,3-kHz-Eingangssignal zu schalten – was, obwohl es in seiner Geschwindigkeit nicht mit modernen Logikschaltungen vergleichbar ist, immer noch eine der schnellsten molekularen Logikschaltungen ist, über die bisher berichtet wurde.

„Dies ist eine rudimentäre Logikschaltung, die sowohl auf Dioden als auch auf Widerständen basiert“, sagt Chiechi. „Wir haben hier gezeigt, dass man mit Proteinen robuste, integrierte Schaltkreise bauen kann, die bei hohen Frequenzen arbeiten.

„In Bezug auf den unmittelbaren Nutzen könnten diese Schaltkreise auf Proteinbasis zur Entwicklung elektronischer Geräte führen, die die Funktionalität klassischer Halbleiter verbessern, ersetzen und/oder erweitern.“

Die Forschung erscheint in Naturkommunikation.