Moleküler devrelerin oluşturulmasındaki tökezleyen bloklardan biri, devre boyutu azaldıkça devrelerin güvenilmez hale gelmesidir. Bunun nedeni, akım oluşturmak için gereken elektronların kuantum ölçeğinde parçacıklar gibi değil, dalgalar gibi davranmasıdır. Örneğin, bir nanometre uzaklıktaki iki telli bir devrede, elektron iki tel arasında “tünel” oluşturabilir ve aynı anda her iki yerde de etkili bir şekilde bulunabilir ve bu da akımın yönünü kontrol etmeyi zorlaştırır. Moleküler devreler bu sorunları hafifletebilir, ancak tek moleküllü bağlantılar, bu ölçekte elektrotların üretilmesiyle ilgili zorluklar nedeniyle kısa ömürlü veya düşük verimlidir.

“Amacımız, tünellemeyi ona karşı savaşmak yerine kendi yararımıza kullanan moleküler bir devre yaratmaya çalışmaktı” diyor Kuzey Carolina Eyalet Üniversitesi’nde kimya profesörü ve çalışmayı açıklayan bir makalenin ortak yazarı Ryan Chiechi.

Chiechi ve Cambridge Üniversitesi’nden ortak yazar Xinkai Qiu, ilk önce desenli altın substratlara iki farklı tipte fulleren kafesi yerleştirerek devreleri inşa etti. Daha sonra yapıyı, yaygın olarak kullanılan bir klorofil protein kompleksi olan bir fotosistem çözeltisine (PSI) batırdılar.

Farklı fullerenler, PSI proteinlerini belirli oryantasyonlarda yüzeyde kendi kendine monte etmeye teşvik etti, galyum-indiyum sıvı metal ötektik, EGaIn’in üst temasları üstüne basıldığında diyotlar ve dirençler yarattı. Bu süreç hem tek moleküllü bağlantıların dezavantajlarını ele alır hem de moleküler-elektronik fonksiyonu korur.

Chiechi, “Dirençleri istediğimiz yerde, PSI’nın kendi kendine birleştiği elektrotlar üzerinde bir tür fulleren desenledik ve diyotları istediğimiz yerde başka bir tip desenledik” diyor. “Yönlendirilmiş PSI akımı düzeltir – yani elektronların yalnızca bir yönde akmasına izin verir. PSI topluluklarındaki net oryantasyonu kontrol ederek, yükün onlardan nasıl aktığını dikte edebiliriz. ”

Araştırmacılar, kendi kendine monte edilen protein topluluklarını insan yapımı elektrotlarla birleştirdiler ve akımı modüle etmek için elektron tünelleme davranışını kullanan basit mantık devreleri yaptılar.

Chiechi, “Bu proteinler elektron dalgası fonksiyonunu dağıtıyor ve tünellemeye hala tam olarak anlaşılamayan şekillerde aracılık ediyor” diyor. “Sonuç olarak, 10 nanometre kalınlığında olmasına rağmen, bu devre kuantum seviyesinde çalışıyor ve bir tünelleme rejiminde çalışıyor. Ve tek molekül yerine bir grup molekül kullandığımız için, yapı kararlıdır. Aslında bu devrelerin üzerine elektrotlar basabilir ve cihazlar inşa edebiliriz.”

Araştırmacılar, bu devrelerden basit diyot tabanlı VE / VEYA mantık kapıları oluşturdular ve bunları, başka bir girişin voltajına bağlı olarak bir giriş sinyalini açıp kapatarak bilgiyi kodlayabilen darbe modülatörlerine dahil ettiler. PSI tabanlı mantık devreleri, modern mantık devreleriyle hız açısından karşılaştırılabilir olmasa da, hala bildirilen en hızlı moleküler mantık devrelerinden biri olan 3.3 kHz’lik bir giriş sinyalini değiştirebildi.

Chiechi, “Bu, hem diyotlara hem de dirençlere dayanan bir kavram kanıtı ilkel mantık devresidir” diyor. “Burada, proteinlerle yüksek frekanslarda çalışan sağlam, entegre devreler inşa edebileceğinizi gösterdik.

“Acil fayda açısından, bu protein bazlı devreler, klasik yarı iletkenlerin işlevselliğini geliştiren, destekleyen ve / veya genişleten elektronik cihazların geliştirilmesine yol açabilir.”

Araştırma Nature Communications’da yayınlandı. Ortak yazarlar Chiechi ve Qiu daha önce Hollanda’daki Groningen Üniversitesi’ndeydi.