ДНК является генетической основой каждого живого организма и самым эффективным средством хранения информации в природе, способным вмещать около 215 млн гигабайт данных на каждый грамм. Такая плотность хранения, если применить ее к электронике, приведет к существенному повышению эффективности ЦОДов, ускорению обработки данных и возможности манипулирования гораздо более сложными их структурами. Команда исследователей из университета Пенсильвании попыталась выяснить, как заставить биологический материал ДНК взаимодействовать с электроникой.

В основе запатентованной работы, результаты которой были опубликованы в журнале Advanced Functional Materials, лежат два компонента: синтетическая ДНК – доступные для коммерческого применения химически модифицированные молекулы, образующие короткие генетические последовательности для нужд электронных устройств; и полупроводниковый материал под названием кристаллический перовскит, который обычно используется в солнечных батареях, лазерах и устройствах хранения данных.

Проведение исследований на стыке биологии и электроники потребовало разработки совершенно новой платформы, обеспечивающей эффективное совместное функционирование этих материалов. Объединение возможностей хранения информации ДНК с исключительными электронными свойствами перовскитных полупроводников позволило создать биогибридную систему, которая в корне меняет подходы к проектированию запоминающих устройств с пониженным энергопотреблением.

Исследователи разработали элемент памяти мемристор, который способен менять свое внутреннее сопротивление с минимальными энергетическими затратами. Обычные резисторы обеспечивают постоянное сопротивление току в различных электронных устройствах, от сотовых телефонов до космических кораблей, но при отключении питания теряют всю хранящуюся в них информацию. Мемристоры, напротив, пропускают ток даже после отключения источника питания и могут запоминать предыдущее направление тока. Такая способность хранить и обрабатывать данные в одном месте имитирует функционирование нейронов головного мозга. Но для этого, по словам исследователей, нужен достаточный объем памяти и запас мощности, что не позволяет наладить экономически эффективное коммерческое применение мемристоров без присущей ДНК способности плотно упаковывать и хранить данные с минимальными затратами энергии.

В отличие от натуральной ДНК – длинных, запутанных нитей, напоминающих мокрые спагетти – короткие и жесткие фрагменты синтетической ДНК обеспечивают необходимую точность на наноуровне. Легированная наночастицами серебра и перовскитом ДНК формирует биогибридные каналы для прохождения тока. В ходе испытаний при подаче напряжения, не превышающего 0,1 В, электроны надежно проходили через устройство. То же самое наблюдалось и в обратном направлении. По словам исследователей, устройство, моделирующее ДНК с добавлением структур перовскита, может стабильно работать как при повышении температуры до 120 градусов по Цельсию, так и при комнатной температуре на протяжении течение шести недель, что намного превосходит характеристики современных устройств хранения данных на основе перовскита.

Устройство выполняет те же функции памяти, что и существующие технологии, но потребляет при этом в десять раз меньше электроэнергии, что делает его гораздо более подходящим для производства энергоэффективной электроники следующего поколения. В дальнейшем исследователи планируют усовершенствовать свой подход и изучить другие возможности построения электронных устройств на основе биотехнологий.