Неожиданные материалы, из которых можно создать мемристор

Мемристоры часто используются в микросхемах, которые выполняют вычисления и хранят данные. Это устройства, которые хранят данные в виде определённых уровней сопротивления. Сегодня они представляют собой тонкий слой диоксида титана или аналогичного диэлектрического материала, зажатый между двумя металлическими электродами. При подаче на устройство достаточного напряжения в диэлектрическом слое образуются крошечные области, в которых отсутствуют атомы кислорода, — они формируют нити, которые соединяют электроды или иным образом перемещаются таким образом, что слой становится более проводящим. При изменении полярности напряжения процесс происходит в обратном направлении. Таким образом, этот процесс, по сути, позволяет мемристору сохранять память о прошлой электрической активности.

Исследователи выяснили, что самые разные неожиданные материалы могут улучшить мемристоры. Они могут быть более гибкими, чем обычные мемристоры, или даже биоразлагаемыми. Вот как были созданы мемристоры из необычных материалов и какие преимущества могут дать эти странные устройства:

1. Грибы

Группа исследователей из Университета штата Огайо, изучавшая электрические свойства грибов, на собственном опыте убедилась в том, что некоторые органические мемристоры обладают преимуществами, которых нет у устройств, изготовленных из обычных материалов. Например, шиитаке может выступать в качестве мемристора, а также может быть полезен в аэрокосмической или медицинской отраслях, поскольку этот гриб демонстрирует высокий уровень устойчивости к радиации. По словам ведущего исследователя Джона ЛаРокко, проект «превратился в нечто действительно крутое».

Группа учёных решила выяснить, насколько хорошо шиитаке запоминают электрические состояния. Для этого они вырастили девять образцов и создали оптимальные условия для их роста, в том числе кормили их смесью из крупы, пшеницы и сена.

После полного созревания грибы высушили и снова увлажнили до уровня, при котором они приобрели умеренную проводимость. В таком состоянии структура грибов включает проводящие пути, которые имитируют вакансии кислорода в коммерческих мемристорах. Ученые подключили их к цепям и провели тесты на напряжение, частоту и память. Каков результат? Грибные мемристоры.

По словам ЛаРокко, запах может быть «немного странным», но шиитаке показывает себя на удивление хорошо по сравнению с обычными мемристорами. Примерно в 90 % случаев гриб сохраняет идеальное мемристорное поведение при сигналах частотой до 5,85 килогерц. По его словам, в то время как традиционные материалы могут работать на частотах, которые на несколько порядков выше, эти показатели примечательны для биологических материалов.

То, чего грибам не хватает в плане производительности, они могут компенсировать другими свойствами. Например, многие грибы, в том числе шиитаке, очень устойчивы к радиации и другим опасностям окружающей среды. «Они растут на бревнах в Фукусиме и во многих других суровых уголках мира, так что это одно из их преимуществ», — говорит ЛаРокко.

Шиитаке — это ещё и экологически чистый вариант, который уже используется в коммерческих целях. «Их уже выращивают в больших количествах, — объясняет ЛаРокко. — Можно просто использовать существующие логистические цепочки», если отрасль захочет коммерциализировать мемристоры из грибов. По его мнению, варианты использования этого продукта будут нишевыми и будут связаны с устойчивостью шиитаке к радиации. Грибные графические процессоры маловероятны, говорит ЛаРокко, но он видит потенциал для их применения в аэрокосмической и медицинской отраслях.

2. Мёд

В 2022 году инженеры из Университета штата Вашингтон, заинтересованные в экологичной электронике, решили изучить, может ли мёд служить хорошим мемристором. «Современная электроника ежегодно производит 50 миллионов тонн электронных отходов, из которых перерабатывается лишь около 20 процентов, — говорит Фэн Чжао, который руководил работой и сейчас работает в Университете науки и технологий Миссури. — Мёд представляет собой биоразлагаемую альтернативу».

Сначала исследователи смешали обычный мёд с водой и поместили смесь в вакуумную камеру, чтобы удалить пузырьки воздуха. Затем они нанесли смесь на кусок меди, запекли всю конструкцию при температуре 90 °C в течение девяти часов, чтобы стабилизировать её, и, наконец, накрыли её сверху круглыми медными электродами, завершив создание мемристорного сэндвича на основе мёда.

Получившийся медовый слой толщиной 2,5 микрометра действовал как оксидный диэлектрик в обычных мемристорах: в нём формировались и растворялись проводящие пути, изменяющие сопротивление в зависимости от напряжения. В этой конструкции при подаче напряжения через мёд проходят медные нити.

Мемристор на основе мёда смог переключиться с низкого сопротивления на высокое за 500 наносекунд и обратно за 100 наносекунд, что сопоставимо со скоростью переключения некоторых мемристивных материалов, не связанных с пищевыми продуктами.

Одно из преимуществ мёда заключается в том, что он «дешёвый и широко доступный, что делает его привлекательным кандидатом для масштабируемого производства», — говорит Чжао. Кроме того, он «полностью биоразлагаемый и растворяется в воде, не образуя токсичных отходов». Однако в статье 2022 года исследователи отмечают, что для того, чтобы устройство на основе мёда было действительно биоразлагаемым, медные компоненты необходимо заменить на растворимые металлы. Они предлагают такие варианты, как магний и вольфрам, но также пишут, что характеристики мемристоров, изготовленных из этих металлов, всё ещё «исследуются».

3. Кровь

Считая это потенциальным средством оказания медицинской помощи, группа ученых в Индии задалась вопросом, будет ли кровь хорошим мемристором .

Эксперименты были довольно простыми. Исследователи наполнили пробирку свежей человеческой кровью группы O+ и вставили в неё два проводящих зонда. Провода были подключены к источнику питания, образуя замкнутую цепь, и на них поочерёдно подавалось напряжение в 1, 2 и 3 вольта. Затем, чтобы проверить мемристорные свойства крови в естественных условиях, исследователи создали «режим потока», при котором напряжение подавалось на кровь, вытекающую из пробирки со скоростью до одной капли в секунду.

Эксперименты были предварительными, и в них измерялся только ток, проходящий через кровь, но сопротивление можно было регулировать, подавая напряжение. Важно отметить, что за 30 минут после подачи напряжения сопротивление изменилось менее чем на 10 процентов. В Международном журнале медицинской инженерии и информатики учёные написали, что, судя по этим наблюдениям, их устройство «похоже на мемристор из человеческой крови».

Они предположили, что эти знания могут быть полезны при лечении заболеваний. У больных людей может наблюдаться ионный дисбаланс в определённых частях тела. Почему бы не использовать для решения этой проблемы компонент схемы, изготовленный из человеческой ткани, вместо того чтобы назначать лекарства? В последние годы мемристоры на основе крови тестировались другими учёными в качестве средства для лечения различных заболеваний — от повышенного уровня сахара в крови до близорукости.

Источник