Circuitos lógicos automontados feitos de proteínas

Os pesquisadores desenvolveram circuitos auto-montados baseados em proteínas que podem realizar funções lógicas simples na pesquisa de prova de conceito. O trabalho demonstra que é possível desenvolver circuitos digitais estáveis ​​que se beneficiam das propriedades de um elétron em escalas quânticas.

Circuitos moleculares

Um dos obstáculos no desenvolvimento de circuitos moleculares é que os circuitos se tornam não confiáveis ​​à medida que o tamanho do circuito diminui – os elétrons necessários para criar a corrente agem como ondas, não partículas, na escala quântica. Em um circuito com dois fios separados por um nanômetro, o elétron pode “túnel” entre os dois fios e estar eficientemente em ambos os lugares simultaneamente, tornando difícil controlar a direção da corrente. Os circuitos moleculares podem minimizar esses problemas, mas as junções de molécula única são de curta duração ou de baixo rendimento devido às dificuldades associadas à fabricação de eletrodos nessa escala.

“Nosso objetivo era tentar criar um circuito molecular que utilizasse o tunelamento em nosso benefício, em vez de lutar contra ele”, afirma Ryan Chiechi, professor associado de química da North Carolina State University e co-autor correspondente de um artigo explicando o trabalho.

Chiechi e o autor co-correspondente Xinkai Qiu, da Universidade de Cambridge, construíram os circuitos colocando primeiro dois tipos de gaiolas de fulereno em substratos de ouro formados. Depois, eles imergiram a estrutura em uma solução de fotossistema um (PSI), um complexo de proteína de clorofila normalmente utilizado.

Os diferentes fulerenos fizeram com que as proteínas PSI se automontassem na superfície em certas orientações, produzindo diodos e resistores assim que os contatos superiores do eutético de metal líquido gálio-índio, EGaIn, são impressos no topo. Esse processo aborda as desvantagens das junções de uma única molécula e protege a função eletrônica molecular.

” Onde queríamos resistores, padronizamos um tipo de fulereno nos eletrodos nos quais o PSI se automonta, e onde queríamos diodos, padronizamos outro tipo”, afirma Chiechi. “O PSI orientado corrige a corrente – significando que só permite que os elétrons fluam em uma direção. Ao controlar a orientação da rede em conjuntos de PSI, podemos determinar como a carga flui através deles.”

Desenvolvimento de circuitos

Os cientistas combinaram os conjuntos de proteínas automontadas com eletrodos feitos por humanos e fizeram circuitos lógicos simples que utilizaram o comportamento de tunelamento de elétrons para modular a corrente.

“Essas proteínas espalham a função de onda de elétrons, moderando o tunelamento de maneiras que ainda não são totalmente compreendidas”, afirma Chiechi. “O resultado é que, apesar de ter 10 nanômetros de espessura, esse circuito funciona em nível quântico, operando em regime de tunelamento. Além disso, como estamos usando uma equipe de moléculas em vez de moléculas únicas, a estrutura é estável. Podemos imprimir eletrodos em cima desses circuitos e construir dispositivos.”

Os pesquisadores desenvolveram portas lógicas AND/OR simples baseadas em diodo a partir desses circuitos. Eles os incluíram em moduladores de pulso, que podem codificar informações ligando ou desligando um sinal de entrada, contando com a tensão de outra entrada. Os circuitos lógicos baseados em PSI podem alternar um sinal de entrada de 3,3 kHz – que, embora não seja semelhante em velocidade aos circuitos lógicos modernos, ainda é um dos circuitos lógicos moleculares mais rápidos relatados até o momento.

“Este é um circuito lógico rudimentar de prova de conceito que depende de diodos e resistores”, diz Chiechi. “Mostramos aqui que você pode construir circuitos integrados duráveis ​​que funcionam em altas frequências com proteínas.

“Em termos de utilidade imediata, esses circuitos baseados em proteínas podem levar ao desenvolvimento de dispositivos eletrônicos que melhoram, suplantam e/ou estendem a funcionalidade dos semicondutores clássicos.”

A pesquisa aparece na Nature Communications. Os co-autores Chiechi e Qiu estavam anteriormente na Universidade de Groningen, na Holanda.

Leia o artigo original no Science Daily .

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