Investigadores crean circuitos lógicos autoensamblados a partir de proteínas

Caracterización de las propiedades de transporte de carga de los SAMs de PCBA y los SAMs de PSI en PCBA. a) Esquema de la Au^mica Uniones /PCBA//PSI//EGaIn. b) Parcelas de log|J| versus potencial de Au^mica /PCBA//Uniones EGaIn y Au^mica Uniones /PCBA//PSI//EGaIn. c) Gráficas de logR versus potencial de Au^mica /PCBA//Uniones EGaIn y Au^mica Uniones /PCBA//PSI//EGaIn. d) Esquema de la Au^mica /PCBA//PSI//Au^AFM uniones e) Parcelas de log|I| versus potencial de Au^mica /PCBA//Au^AFM empalmes y Au^mica /PCBA//PSI//Au^AFM uniones f) Gráficas de logR versus potencial de Au^mica /PCBA//Au^AFM empalmes y Au^mica /PCBA//PSI//Au^AFM uniones Las barras de error representan intervalos de confianza del 95%. Los dibujos de moléculas no corresponden a sus tamaños reales. Crédito:Comunicaciones de la naturaleza (2022). DOI:10.1038/s41467-022-30038-8

En un estudio de prueba de concepto, los investigadores han creado circuitos autoensamblados basados en proteínas que pueden realizar funciones lógicas simples. El trabajo demuestra que es posible crear circuitos digitales estables que aprovechen las propiedades de un electrón a escala cuántica.

Uno de los obstáculos en la creación de circuitos moleculares es que a medida que el tamaño del circuito disminuye, los circuitos se vuelven poco confiables. Esto se debe a que los electrones necesarios para crear corriente se comportan como ondas, no como partículas, en la escala cuántica. Por ejemplo, en un circuito con dos cables separados por un nanómetro, el electrón puede "hacer un túnel" entre los dos cables y estar efectivamente en ambos lugares simultáneamente, lo que dificulta el control de la dirección de la corriente. Los circuitos moleculares pueden mitigar estos problemas, pero las uniones de una sola molécula son de corta duración o de bajo rendimiento debido a los desafíos asociados con la fabricación de electrodos a esa escala.

"Nuestro objetivo era intentar crear un circuito molecular que utilizara los túneles a nuestro favor, en lugar de luchar contra ellos", dice Ryan Chiechi, profesor asociado de química en la Universidad Estatal de Carolina del Norte y coautor de un artículo que describe el trabajo.

Chiechi y el coautor correspondiente Xinkai Qiu de la Universidad de Cambridge construyeron los circuitos colocando primero dos tipos diferentes de jaulas de fullereno en sustratos de oro estampados. Luego sumergieron la estructura en una solución de fotosistema uno (PSI), un complejo de proteína de clorofila de uso común.

Los diferentes fullerenos indujeron a las proteínas PSI a autoensamblarse en la superficie en orientaciones específicas, creando diodos y resistencias una vez que los contactos superiores del eutéctico de metal líquido de galio-indio, EGaIn, se imprimen en la parte superior. Este proceso aborda los inconvenientes de las uniones de una sola molécula y preserva la función electrónica molecular.

"Donde queríamos resistencias, diseñamos un tipo de fullereno en los electrodos sobre los que PSI se autoensambla, y donde queríamos diodos, diseñamos otro tipo", dice Chiechi. "El PSI orientado rectifica la corriente, lo que significa que solo permite que los electrones fluyan en una dirección. Al controlar la orientación neta en conjuntos de PSI, podemos dictar cómo fluye la carga a través de ellos".

Los investigadores acoplaron los conjuntos de proteínas autoensamblados con electrodos hechos por humanos y crearon circuitos lógicos simples que usaban el comportamiento de túnel de electrones para modular la corriente.

"Estas proteínas dispersan la función de onda de los electrones, mediando en la formación de túneles en formas que aún no se entienden completamente", dice Chiechi. "El resultado es que, a pesar de tener un grosor de 10 nanómetros, este circuito funciona a nivel cuántico, operando en un régimen de efecto túnel. Y debido a que estamos usando un grupo de moléculas, en lugar de moléculas individuales, la estructura es estable. De hecho, podemos imprimir electrodos encima de estos circuitos y construir dispositivos".

Los investigadores crearon puertas lógicas Y/O simples basadas en diodos a partir de estos circuitos y las incorporaron en moduladores de pulso, que pueden codificar información al encender o apagar una señal de entrada dependiendo del voltaje de otra entrada. Los circuitos lógicos basados en PSI pudieron cambiar una señal de entrada de 3,3 kHz que, si bien no es comparable en velocidad a los circuitos lógicos modernos, sigue siendo uno de los circuitos lógicos moleculares más rápidos que se han informado hasta ahora.

"Este es un circuito lógico rudimentario de prueba de concepto que se basa tanto en diodos como en resistencias", dice Chiechi. "Hemos demostrado aquí que se pueden construir circuitos integrados robustos que funcionan a altas frecuencias con proteínas.

"En términos de utilidad inmediata, estos circuitos basados en proteínas podrían conducir al desarrollo de dispositivos electrónicos que mejoren, suplanten o amplíen la funcionalidad de los semiconductores clásicos".

La investigación aparece en Nature Communications . + Explora más