Em um estudo de prova de conceito, os pesquisadores criaram circuitos baseados em proteínas automontados que podem executar funções lógicas simples. O trabalho demonstra que é possível criar circuitos digitais estáveis ​​que aproveitam as propriedades de um elétron em escalas quânticas.
Um dos obstáculos na criação de circuitos moleculares é que, à medida que o tamanho do circuito diminui, os circuitos se tornam não confiáveis. Isso ocorre porque os elétrons necessários para criar a corrente se comportam como ondas, não partículas, na escala quântica. Por exemplo, em um circuito com dois fios separados por um nanômetro, o elétron pode fazer um "túnel" entre os dois fios e efetivamente estar em ambos os lugares simultaneamente, dificultando o controle da direção da corrente. Os circuitos moleculares podem mitigar esses problemas, mas as junções de molécula única são de curta duração ou de baixo rendimento devido aos desafios associados à fabricação de eletrodos nessa escala.

“Nosso objetivo era tentar criar um circuito molecular que usasse o tunelamento a nosso favor, em vez de lutar contra ele”, diz Ryan Chiechi, professor associado de química da North Carolina State University e co-autor correspondente de um artigo descrevendo o trabalho.

Chiechi e o autor co-correspondente Xinkai Qiu, da Universidade de Cambridge, construíram os circuitos colocando primeiro dois tipos diferentes de gaiolas de fulereno em substratos de ouro padronizados. Eles então submergiram a estrutura em uma solução de fotossistema um (PSI), um complexo de proteína de clorofila comumente usado.

Os diferentes fulerenos induziram as proteínas PSI a se auto-montarem na superfície em orientações específicas, criando diodos e resistores, uma vez que os contatos superiores do eutético de metal líquido gálio-índio, EGaIn, são impressos no topo. Este processo aborda as desvantagens das junções de uma única molécula e preserva a função molecular-eletrônica.

"Onde queríamos resistores, padronizamos um tipo de fulereno nos eletrodos nos quais o PSI se automonta, e onde queríamos diodos, padronizamos outro tipo", diz Chiechi. "O PSI orientado retifica a corrente - o que significa que só permite que os elétrons fluam em uma direção. Ao controlar a orientação da rede em conjuntos de PSI, podemos ditar como a carga flui através deles."

Os pesquisadores acoplaram os conjuntos de proteínas automontadas com eletrodos feitos pelo homem e fizeram circuitos lógicos simples que usaram o comportamento de tunelamento de elétrons para modular a corrente.

"Essas proteínas espalham a função de onda de elétrons, mediando o tunelamento de maneiras que ainda não são completamente compreendidas", diz Chiechi. "O resultado é que, apesar de ter 10 nanômetros de espessura, esse circuito funciona em nível quântico, operando em regime de tunelamento. E como estamos usando um grupo de moléculas, em vez de moléculas únicas, a estrutura é estável. Na verdade, podemos imprimir eletrodos em cima desses circuitos e construir dispositivos."

Os pesquisadores criaram portas lógicas AND/OR simples baseadas em diodo a partir desses circuitos e as incorporaram em moduladores de pulso, que podem codificar informações ligando ou desligando um sinal de entrada, dependendo da tensão de outra entrada. Os circuitos lógicos baseados em PSI foram capazes de alternar um sinal de entrada de 3,3 kHz - que, embora não seja comparável em velocidade aos circuitos lógicos modernos, ainda é um dos circuitos lógicos moleculares mais rápidos já relatados.

"Este é um circuito lógico rudimentar de prova de conceito que depende de diodos e resistores", diz Chiechi. "Mostramos aqui que você pode construir circuitos integrados robustos que funcionam em altas frequências com proteínas.

"Em termos de utilidade imediata, esses circuitos baseados em proteínas podem levar ao desenvolvimento de dispositivos eletrônicos que melhoram, suplantam e/ou estendem a funcionalidade dos semicondutores clássicos".

A pesquisa aparece em Nature Communications . + Explorar mais

Uma rede de distribuição de relógio baseada em metamaterial para construir grandes chips supercondutores