ДНК и электроника: ученые совершили прорыв в области сверхмаломощной памяти

Если бы такой уровень хранения данных можно было использовать в электронике, это привело бы к созданию гораздо более эффективных центров обработки данных, ускорению обработки и появлению возможности работать с гораздо более сложной информацией. Проблема заключалась в том, чтобы заставить биологическую молекулу, такую как ДНК, работать в электронных системах. Исследователи из Университета штата Пенсильвания утверждают, что нашли способ объединить эти две технологии.

Подход команды, описанный в статье Advanced Functional Materials и заявленный в патентной заявке, основан на двух основных компонентах. Первый — синтетическая ДНК, созданная из химически модифицированных коротких последовательностей, предназначенных для выполнения определенных электронных функций. Второй — кристаллический перовскит, полупроводник, широко используемый в солнечных батареях, лазерах и устройствах хранения данных.

«Биология и электроника — это разные области, — говорит Кавья С. Керемане, соавтор исследования и постдокторант в области материаловедения и инженерии в Университете штата Пенсильвания. — Чтобы объединить эти две области, потребовалось разработать совершенно новую материальную платформу, которая позволила бы им беспрепятственно взаимодействовать. Объединив возможности ДНК по хранению информации с исключительными электронными свойствами перовскитных полупроводников, мы создали биогибридную систему, которая в корне меняет подход к разработке устройств памяти с низким энергопотреблением».

Исследователи создали устройство, известное как мемристор, — разновидность резистора с памятью, который работает с очень низким энергопотреблением. Традиционные резисторы регулируют поток электричества, но при отключении питания теряют сохраненную информацию. Мемристоры ведут себя иначе. Они могут сохранять информацию и «запоминать» направление предыдущего тока даже после отключения питания.

Мемристоры могут хранить и обрабатывать информацию в одном и том же месте, что напоминает принцип работы нейронов в мозге. Это делает их перспективными для использования в передовых вычислительных системах. Однако их практическое применение затруднено из-за ограничений по объему памяти и энергоэффективности. ДНК помогает решить обе эти проблемы, позволяя хранить большие объемы данных на очень маленьком пространстве, затрачивая при этом минимум энергии.

«По мере роста спроса на искусственный интеллект (ИИ) нам нужна новая стратегия для устройств с низким энергопотреблением и большим объемом памяти», — сказал Бед Поудел, соавтор исследования и профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Пенсильвания. Поудел объяснил, что искусственный интеллект и технологии будущего будут все больше опираться на нейроморфные вычисления, которые, подобно человеческому мозгу, могут одновременно обрабатывать множество входных данных и принимать решения на основе прошлого опыта и будущих приоритетов. «Обычно для хранения большего объема информации требуется больше энергии. Однако наше устройство потребляет в 100 раз меньше энергии, а объем памяти у него больше, чем у традиционных накопителей, таких как флеш-накопители».

Чтобы создать устройство, команда добавила наночастицы серебра в специально разработанные последовательности ДНК и соединила их с тонкими слоями перовскита. Этот метод, называемый легированием, используется для изменения свойств материала. В данном случае он позволил ДНК проводить электричество и выстраиваться в более организованную структуру.

Натуральная ДНК образует длинные спутанные нити, что затрудняет ее использование в точных структурах. В отличие от нее, короткие синтетические фрагменты ДНК жесткие, и ими легче управлять на наноуровне. Это позволяет исследователям создавать высокоупорядоченные материалы с регулируемыми электрическими свойствами, которые не может обеспечить натуральная ДНК в тонких пленках.

«С помощью вычислений мы можем точно определить, какие последовательности нам нужны и какой длины они должны быть, а затем рационально спроектировать их с помощью синтетической ДНК, — говорит Йеннавар. — Эти структуры можно систематически дополнять серебром и другими ионами, а также создавать на их основе перовскиты, превращая ДНК из биологической макромолекулы в программируемую многофункциональную платформу для наноматериалов».

Комбинация обработанной серебром ДНК и перовскита образует каналы, которые эффективно проводят электрический ток. Когда исследователи подавали напряжение менее 0,1 вольта (по сравнению с 120 вольтами в стандартной розетке в США), электроны стабильно проходили через устройство. Оно также стабильно реагировало на изменение направления тока.

Устройство сохраняло стабильность при температуре, приближающейся к 250 градусам по Фаренгейту (около 121 градуса по Цельсию), и продолжало работать при комнатной температуре более шести недель. По словам исследователей, эта производительность превосходит показатели современных устройств памяти на основе перовскита. Кроме того, устройство обладает схожими характеристиками памяти, но потребляет в десять раз меньше энергии, что делает его перспективным кандидатом для создания энергоэффективной электроники будущего.