დნმ ყველა ცოცხალი ორგანიზმის გენეტიკური მოდელია, თუმცა ის ასევე ინფორმაციის შენახვის უჩვეულოდ მკვრივი საშუალებაცაა: ერთ გრამს დაახლოებით 215 მილიონი გიგაბაიტი მონაცემის დატევა შეუძლია. ამ მოცულობის ელექტრონიკაში გადმოტანით სამი რამ გაუმჯობესდება: მონაცემთა ცენტრები ნაკლებ ენერგიას მოიხმარს, გამოთვლები უფრო სწრაფად შესრულდება და კომპიუტერულ სისტემებს უფრო რთული ინფორმაციის დამუშავება შეეძლება.

მთავარი გამოწვევა იმ გზის პოვნა იყო, რომელიც ბიოლოგიურ დნმ-ს ელექტრონულ მასალებთან ერთად ეფექტიანად ფუნქციონირების საშუალებას მისცემდა. პენსილვანიის შტატის უნივერსიტეტის (Penn State) მკვლევრებმა ახლა შეიმუშავეს მიდგომა, რომელიც ამ შეუთავსებლობის დასაძლევად არის შექმნილი.

ნაშრომი ჟურნალ Advanced Functional Materials-ში გამოქვეყნდა და ორ ძირითად კომპონენტს ეყრდნობა. ერთი არის სინთეზური დნმ, რომელიც კომერციულად ხელმისაწვდომი, ქიმიური ინჟინერიით შექმნილი მოლეკულებისგან მზადდება და კონკრეტულ ელექტრონულ მოთხოვნებზე მორგებულ მოკლე გენეტიკურ მიმდევრობებად არის განლაგებული. მეორე კი კრისტალური პეროვსკიტია, ნახევარგამტარი, რომელიც ისეთ ტექნოლოგიებში, როგორიცაა მზის ელემენტები, ლაზერები და მონაცემთა შესანახი მოწყობილობები, უკვე გამოიყენება.

"ბიოლოგია და ელექტრონიკა სხვადასხვა სფეროა", — განაცხადა კავია ს. კერემანემ, კვლევის თანაავტორმა და Penn State-ის მასალათმცოდნეობისა და ინჟინერიის პოსტდოქტორანტმა — "ამ ორი სფეროს დაკავშირება სრულიად ახალი მატერიალური პლატფორმის შექმნას მოითხოვდა, რომელიც მათ ერთად შეუფერხებლად ფუნქციონირების საშუალებას მისცემდა. დნმ-ის ინფორმაციის შენახვის შესაძლებლობების პეროვსკიტის ნახევარგამტარების განსაკუთრებულ ელექტრონულ თვისებებთან შერწყმით, ჩვენ ბიოჰიბრიდული სისტემა შევქმენით, რომელიც დაბალი სიმძლავრის მეხსიერების მოწყობილობების დიზაინის შემუშავების გზებს ძირფესვიანად ცვლის".

დაბალი სიმძლავრის მეხსიერების მოწყობილობის შექმნა

ამ მასალების გამოყენებით, გუნდმა მეხსიერების რეზისტორი შექმნა, ცნობილი როგორც "მემრისტორი", რომელიც ძალიან მცირე ენერგიით მუშაობს. ჩვეულებრივი რეზისტორებისგან განსხვავებით, რომლებიც მოწყობილობებში ელექტროდენის მიმართ დადგენილ წინააღმდეგობას ინარჩუნებს და ენერგიის გათიშვისას შენახულ ინფორმაციას კარგავს, მემრისტორებს წინა ელექტრული აქტივობის ჩანაწერის შენარჩუნება შეუძლია. მათ დენის მიმართულების დამახსოვრება კვების წყაროს გამორთვის შემდეგაც ძალუძს.

ეს შესაძლებლობა ინფორმაციის ერთსა და იმავე ადგილას შენახვისა და დამუშავების საშუალებას იძლევა, რაც ტვინში ნეირონების ფუნქციონირებას ჰგავს. ასეთმა წყობამ შეიძლება მონაცემთა დამუშავების უფრო ერთდროულ და დახვეწილ ფორმებს შეუწყოს ხელი. თუმცა, მკვლევართა თქმით, პრაქტიკული კომერციული სისტემები მაინც საკმარის შესანახ მოცულობას და ელექტროენერგიას მოითხოვდა, რაც მათ ძვირადღირებულს და არაეფექტიანს გახდიდა, რომ არა დნმ-ის უნარი, მცირე ენერგიის მოხმარებით, უზარმაზარი რაოდენობის ინფორმაცია ძალიან მცირე სივრცეში მოათავსოს.

"ხელოვნურ ინტელექტზე მოთხოვნის ზრდასთან ერთად, დაბალი სიმძლავრის, დიდი მოცულობის მქონე მოწყობილობებისთვის ახალი სტრატეგია გვჭირდება", — თქვა ბედ პუდელმა, კვლევის თანაავტორმა და Penn State-ის მკვლევარმა პროფესორმა მასალათმცოდნეობისა და ინჟინერიის მიმართულებით.

პუდელის თქმით, მოსალოდნელია, რომ AI და სხვა განვითარებადი ტექნოლოგიები სულ უფრო მეტად იქნება დამოკიდებული ნეირომორფულ გამოთვლებზე, რომელიც ადამიანის ტვინის მსგავსად მუშაობისთვისაა შექმნილი. ასეთ სისტემებს ერთდროულად რამდენიმე მონაცემის შეფასება შეუძლია, გადაწყვეტილებებს კი წინა გამოცდილებასა და სამომავლო პრიორიტეტებზე დაყრდნობით იღებს.

"ჩვეულებრივ, მეტი ინფორმაციის შესანახად მეტი ენერგიაა საჭირო. თუმცა, ჩვენი მოწყობილობა 100-ჯერ ნაკლებ ენერგიას მოიხმარს და შენახვის მოცულობა უფრო მაღალი აქვს, ვიდრე ტრადიციულ შესანახ მოწყობილობებს, როგორიცაა ფლეშ დრაივები".

დნმ-ის ინჟინერია ელექტროდენის გასატარებლად

მოწყობილობის ასაგებად, მკვლევრებმა მორგებული დნმ-ის მიმდევრობების ფენას ვერცხლის ნანონაწილაკები დაამატეს, რომელიც სპეციალურად კონკრეტული შემადგენლობისა და სიგრძისთვის შეიქმნა, და ის პეროვსკიტის თხელ ფენებთან იყო ინტეგრირებული.

ეს ტექნიკა, რომელსაც "დოპირება" ეწოდება, კონკრეტული თვისებების მისაღებად მცირე რაოდენობით სხვა მასალის დამატებას გულისხმობს. ამ შემთხვევაში, ვერცხლის ნანონაწილაკების დამატებამ დნმ-ს ელექტროდენის გატარების საშუალება მისცა, ამავდროულად კი მის მოლეკულურ ერთეულებს უფრო მოწესრიგებულად განლაგებაში დაეხმარა.

სინთეზურმა დნმ-მა ბუნებრივ დნმ-თან შედარებით კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი უპირატესობა აჩვენა. ბუნებრივი დნმ-ისგან განსხვავებით, რომელიც გრძელ, გადახლართულ ძაფებს წარმოადგენს და დამუშავებისას "სველი სპაგეტივით" იქცევა, სინთეზური დნმ-ის მოკლე და ხისტი ნაწილები უკიდურესად მცირე მასშტაბებზე გაცილებით დიდი სიზუსტით შეიძლება განლაგდეს.

Penn State-ის სიცოცხლის შემსწავლელ მეცნიერებათა ინსტიტუტების (Huck Institutes of the Life Sciences) ბიომოლეკულური ურთიერთქმედების ძირითადი დაწესებულების კვლევითი პროფესორისა და დირექტორის, კვლევის თანაავტორის, ნილა ჰ. იენავარის, თქმით, მოლეკულური ინჟინერიით შექმნილ დნმ-ს შეუძლია, სტრუქტურული ორგანიზაცია, რეგულირებადი ელექტროგამტარობა და ფუნქციონალური კონტროლი უზრუნველყოს, რისი მიღწევაც ბუნებრივ დნმ-ს თხელ ფენებში ინტეგრირებისას არ შეუძლია.

"ჩვენ შეგვიძლია ზუსტად განვსაზღვროთ, რომელი მიმდევრობები გვჭირდება და რა სიგრძის უნდა იყოს ისინი, შემდეგ კი შეგვიძლია სინთეზური დნმ-ით რაციონალურად დავაპროექტოთ", — თქვა იენავარმა — "ამ სტრუქტურების სისტემატური დოპირება შესაძლებელია ვერცხლითა და სხვა იონებით, ასევე პეროვსკიტებთან შეუფერხებლად დასაკავშირებლად მათი დამუშავება, რაც დნმ-ს ბიოლოგიური მაკრომოლეკულიდან პროგრამირებად, მრავალფუნქციურ ნანომასალების პლატფორმად გარდაქმნის".

დნმ და პეროვსკიტი ერთად უკეთ მუშაობს

შერწყმისას, ვერცხლით დოპირებულმა დნმ-მა და პეროვსკიტმა ბიოჰიბრიდული გზები შექმნა, რომლებიც მოწყობილობაში ელექტროდენის დინებას მიმართავდა.

მკვლევრებმა დაადგინეს, რომ ელექტრონები საიმედოდ მოძრაობდა, როდესაც 0,1 ვოლტზე ნაკლებ ძაბვას იყენებდა (შედარებისთვის, აშშ-ის სტანდარტულ როზეტებში 120 ვოლტია), და მოწყობილობა პროგნოზირებადად რეაგირებდა დენის მიმართულების შეცვლისას.

საგულდაგულოდ შექმნილმა დნმ-ის სტრუქტურებმა, პეროვსკიტთან ერთად, მოწყობილობის უჩვეულო სტაბილურობასაც შეუწყო ხელი. გუნდის თანახმად, ის განაგრძობდა თანმიმდევრულ მუშაობას ტემპერატურაზე, რომელიც 121 გრადუს ცელსიუსს უახლოვდებოდა და ოთახის ტემპერატურაზე ექვს კვირაზე მეტი ხნის განმავლობაში ინარჩუნებდა ფუნქციურობას, რითაც პეროვსკიტზე დაფუძნებული არსებული მეხსიერების მოწყობილობების მუშაობის სტანდარტებს მნიშვნელოვნად აჭარბებდა.

მკვლევრებმა ასევე განაცხადეს, რომ ახალ სისტემას შეეძლო შეესრულებინა იგივე მეხსიერების ფუნქცია, რაც მსგავს ტექნოლოგიებს, მაგრამ მოეხმარა ენერგიის მხოლოდ მეათედი. ეფექტიანობის ამ დონემ შეიძლება მიდგომა განსაკუთრებით მიმზიდველი გახადოს მომავალი ელექტრონიკისთვის, რომელიც შექმნილია დიდი რაოდენობით ინფორმაციის დასამუშავებლად ენერგიის უფრო დაბალი მოთხოვნებით.

"მხოლოდ დნმ-ის ან მხოლოდ პეროვსკიტის გამოყენებამ არ მოგვცა ისეთი ძლიერი შედეგი, როგორც კომბინაციამ", — თქვა კერემანემ — "სწორედ ეს კომბინაცია უზრუნველყოფს მეხსიერების შენახვის ძალიან მაღალ სიმჭიდროვეს, რომელიც ძალიან მცირე ენერგიას მოითხოვს".

ახალი მიმართულება ბიო-შთაგონებული ელექტრონიკისთვის

გუნდი ახლა ტექნოლოგიის კიდევ უფრო გაუმჯობესებას და ბიო-შთაგონებული ელექტრონული სისტემებისთვის დამატებითი გამოყენების გზების შესწავლას გეგმავს.

"ბუნებას აქვს გამოსავალი, ჩვენ უბრალოდ ის უნდა ვიპოვოთ და გამოვიყენოთ", — თქვა პუდელმა — "დნმ-ის ელექტრონიკაში ინტეგრირების ეს ნაშრომი წარმოდგენას გვიქმნის, თუ რა საოცარი შედეგების მიღწევაა შესაძლებელი".

ნაშრომს შეგიძლიათ ამ ბმულზე გაეცნოთ.