ДНК, генетический код каждого живого организма, является самым эффективным механизмом хранения данных в природе, способным хранить около 215 миллионов гигабайт данных на грамм. Применение этой емкости в электронике могло бы значительно повысить эффективность центров обработки данных, ускорить обработку данных и обеспечить возможность обработки гораздо более сложных данных. Ключ к этому технологическому прорыву — заставить ДНК, биологический материал, работать с электроникой. Команда исследователей из Университета штата Пенсильвания нашла способ преодолеть существенный разрыв в совместимости.
Сочетание ДНК и перовскитной технологии
Работа, опубликованная в журнале Advanced Functional Materials и запатентованная, основывалась, по словам исследователей, на двух материалах: синтетической ДНК, или коммерчески доступных, химически модифицированных молекулах, составляющих короткие генетические последовательности, разработанные в соответствии с потребностями электронных устройств; и полупроводниковом материале, называемом кристаллическим перовскитом, широко используемом в солнечных батареях, лазерах и устройствах хранения данных.
«Биология и электроника — это разные области, — говорит Кавья С. Керемане, соавтор статьи и научный сотрудник в области материаловедения и инженерии в Университете штата Пенсильвания. — Для объединения этих двух областей потребовалась разработка совершенно новой материальной платформы, которая позволяет им бесперебойно взаимодействовать. Объединив возможности хранения информации ДНК с исключительными электронными свойствами перовскитных полупроводников, мы создали биогибридную систему, которая коренным образом меняет подход к проектированию маломощных запоминающих устройств».
Как ведут себя мемристоры на основе ДНК
Исследователи разработали резистор с памятью, или «мемристор», для работы которого требуется мало энергии. Обычные резисторы поддерживают фиксированное сопротивление потоку тока в электронных устройствах, от мобильных телефонов до космических челноков, но теряют всю информацию после отключения питания. Мемристоры, напротив, могут пропускать ток даже после выключения источника питания и запоминать направление предыдущего потока тока.
Способность хранить и обрабатывать данные в одном и том же месте имитирует работу нейронов в головном мозге, потенциально позволяя осуществлять одновременную и более комплексную обработку данных. Однако, как отмечают исследователи, это работает только при достаточном объеме памяти и энергии — оба параметра были бы слишком велики для экономически эффективного коммерческого использования без способности ДНК плотно упаковывать и хранить данные с минимальным энергопотреблением.
Новый путь для маломощного ИИ
«По мере роста спроса на искусственный интеллект (ИИ) нам необходима новая стратегия для создания маломощных устройств с большим объемом памяти», — сказал Бед Пудел, соавтор статьи и профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Пенсильвания.
Пудел объяснил, что искусственный интеллект и будущие технологии будут все больше полагаться на нейроморфные вычисления , которые, подобно человеческому мозгу, могут одновременно учитывать 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 емкость хранилища выше, чем у традиционных устройств хранения данных, таких как флеш-накопители».
Создание устройства на основе ДНК, легированной серебром
Для разработки устройства исследователи нанесли наночастицы серебра на слой специально подобранных последовательностей ДНК — разработанных с учетом определенного состава и длины — интегрированных вместе с тонкими пленками перовскита. Этот процесс, известный как «легирование», заключается в нанесении небольших наночастиц на другой материал, что позволяет исследователям точно регулировать определенные свойства материала. В данном случае это позволило ДНК проводить электричество, а также более упорядоченно ориентировать ее звенья.
В отличие от природной ДНК — длинных, запутанных нитей, которые ведут себя как мокрые спагетти при прикосновении, — короткие, жесткие фрагменты синтетической ДНК обеспечивают истинную архитектурную точность на наномасштабе. По словам соавтора Нилы Х. Йеннавар, профессора-исследователя и директора Центра биомолекулярных взаимодействий Института наук о жизни им. Хака при Университете штата Пенсильвания, молекулярно сконструированная ДНК достигает уровня структурного порядка, регулируемой электропроводности и функционального контроля, недостижимого для нативной ДНК в тонких пленках.
«Мы можем с помощью вычислительных методов точно определить, какие последовательности нам нужны и какой длины они должны быть, а затем рационально спроектировать их с помощью синтетической ДНК», — сказал Йеннавар. «Эти структуры можно систематически легировать серебром и другими ионами и модифицировать таким образом, чтобы они беспрепятственно взаимодействовали с перовскитами, превращая ДНК из биологической макромолекулы в программируемую многофункциональную платформу наноматериалов».
Производительность, стабильность и перспективы на будущее
Вместе ДНК, легированная наночастицами серебра и перовскитом, образовала биогибридные каналы для направления тока. Когда команда подавала напряжение менее 0,1 вольта (для сравнения, стандартные розетки в США имеют напряжение 120 вольт), электроны надежно перемещались по устройству. При переключении тока устройство реагировало соответствующим образом.
Устройство, стабилизированное точным составом ДНК и структурами, связанными с перовскитом, могло стабильно работать при температуре до 250°F и при комнатной температуре более шести недель, значительно превосходя стандарты производительности современных устройств хранения данных на основе перовскита, заявили исследователи. Они объяснили, что их устройство может выполнять ту же функцию памяти, что и аналогичные существующие технологии, но потребляет всего одну десятую часть энергии, что делает его гораздо более подходящим для энергоэффективной электроники следующего поколения.
«Использование только ДНК или только перовскита не дало столь же надежного результата, как их комбинация», — сказал Керемане. «Именно эта комбинация позволяет достичь очень высокой плотности хранения данных в памяти, требующей очень мало энергии».
Далее исследователи планируют усовершенствовать свой подход и изучить другие электронные приложения, вдохновленные природой. «Природа предлагает решение — нам просто нужно найти его и применить», — сказал Пудел. «Эта работа по интеграции ДНК в электронику для создания удивительных вещей дает представление о том, что возможно».
