Учёные сделали энергоэффективный накопитель на основе ДНК

ДНК — генетический план развития любого живого организма, а ещё и крайне плотный способ хранения информации. Всего один грамм может вместить приблизительно 215 миллионов гигабайт данных. Применение этой поразительной ёмкости хранения в электронике может привести к созданию более эффективных центров обработки данных, ускорению обработки информации и появлению систем, способных обрабатывать всё более сложную информацию.

Сложность однако заключалается в поиске способа обеспечить эффективное взаимодействие биологической ДНК с электронными материалами. Исследователи из Университета штата Пенсильвания разработали подход, призванный преодолеть эту несовместимость.

Работа, опубликованная в журнале Advanced Functional Materials и ставшая предметом патентной заявки, основана на двух ключевых компонентах. Один из них — синтетическая ДНК, созданная из доступных в продаже молекул, сконструированных с помощью химической инженерии и скомпонованных в короткие генетические последовательности, адаптированные к конкретным электронным требованиям. Другой — кристаллический перовскит, полупроводник, уже используемый в таких технологиях, как солнечные элементы, лазеры и устройства хранения данных.

Используя эти материалы, команда создала резистор с памятью, известный как «мемристор», который работает с очень низким энергопотреблением. В отличие от обычных резисторов, которые поддерживают заданное сопротивление электрическому току в устройствах — от мобильных телефонов до космических челноков — и теряют сохраненную информацию при отключении питания, мемристоры способны сохранять запись о предыдущей электрической активности. Они могут запоминать направление, в котором ранее протекал ток, даже после отключения источника питания. Эта способность даёт возможность хранить и обрабатывать информацию в одном и том же месте, что напоминает принцип работы нейронов в мозге.

Для создания устройства исследователи добавили наночастицы серебра в слой специально сконструированных последовательностей ДНК — разработанных с учётом определённого состава и длины — который был интегрирован с тонкоплёночными слоями перовскита. Эта техника, называемая «легированием», заключается во введении небольшого количества другого материала для придания определённых свойств. В данном случае внедрение наночастиц серебра позволило ДНК проводить электричество, а также способствовало более упорядоченному расположению её молекулярных звеньев.

Синтетическая ДНК обладала ещё одним важным преимуществом по сравнению с природной ДНК. В отличие от природной ДНК — длинных, перепутанных нитей, которые при манипуляциях ведут себя как мокрые макароны, — короткие и жёсткие фрагменты синтетической ДНК можно располагать с гораздо большей точностью в чрезвычайно малых масштабах. При объединении ДНК, легированной серебром, и перовскита образовались биогибридные пути, которые направляли поток электрического тока через устройство.

Исследователи обнаружили, что электроны надёжно перемещались при напряжении менее 0,1 вольта — для сравнения: стандартные розетки в США имеют напряжение 120 вольт — и устройство предсказуемо реагировало при изменении направления тока.

Тщательно спроектированные структуры ДНК в сочетании с перовскитом также способствовали необычайной стабильности устройства. По данным команды, оно продолжало стабильно функционировать при температурах, приближающихся к 120°С, и оставалось работоспособным при комнатной температуре более шести недель, что значительно превосходит стандарты производительности существующих устройств хранения данных на основе перовскита.

Исследователи равным образом сообщили, что новая система может выполнять те же функции памяти, что и сопоставимые технологии, при этом потребляя всего одну десятую часть энергии. Исследование было поддержано Национальным научным фондом США, Национальными институтами здравоохранения, Университетом штата Пенсильвания и Университетом Миннесоты.