Organic memory device with poly-L-lysine nanoparticles embedded as charge trapping layer

في الزاوية الهادئة من الإلكترونيات حيث تلتقي البيولوجيا بالسيليكون، يستكشف الباحثون نوعًا جديدًا من الذاكرة. تخزن رقائق الكمبيوتر التقليدية البيانات عن طريق حبس شحنات كهربائية صغيرة في طبقات من السيليكون والمعدن، لكن هذه المواد صلبة وغالبًا ما تكون سامة. يطرح مجال متنامٍ من الإلكترونيات الحيوية تساؤلاً عما إذا كانت جزيئات الحياة اللينة والرطبة — البروتينات والسكريات والأحماض الأمينية — يمكنها القيام بالمهمة ذاتها. الهدف هو بناء أجهزة يمكنها التحدث مباشرة مع الأنسجة الحية، ربما لمساعدة شخص مصاب بالشلل على التحكم في جهاز كمبيوتر عبر أفكاره أو لمراقبة الصحة من داخل الجسم. ولكي ينجح هذا، يجب أن يكون مكون الذاكرة مصنوعًا من مواد آمنة للجسم ومرنة بما يكفي للانحناء دون انكسار. ويكمن التحدي في العثور على جزيء حيوي يمكنه الاحتفاظ بشحنة كهربائية لفترة كافية لتذكر قطعة من المعلومات، ليعمل كمفتاح بيولوجي صغير يظل في وضع التشغيل أو الإيقاف حتى عند قطع التيار الكهربائي.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة ميونغجي في كوريا الجنوبية خطوة كبيرة نحو هذا الهدف من خلال ابتكار جهاز ذاكرة باستخدام لبنة بناء شائعة للحياة: حمض أميني يسمى الليسين. لم يستخدموا الحمض الأميني في شكله الخام، بل قاموا بتجميعه في عناقيد كروية صغيرة تُعرف بالجسيمات النانوية. ثم تم دمج هذه العناقيد في غشاء رقيق من الإنديغو، وهو الصبغة الزرقاء الداكنة التي استُخدمت لقرون لتلوين جينز الدنيم. دمج الباحثون هذه المواد البيولوجية والطبيعية لإنشاء خلية ذاكرة يمكن الكتابة عليها ومسحها، تمامًا مثل شريحة الكمبيوتر القياسية، ولكن بهيكل مبني من الصفر باستخدام مكونات عضوية متوافقة حيويًا.

جوهر اختراعهم هو طبقة مصممتًا لالتقاط وحبس الشحنات الكهربائية، وهي وظيفة يقوم بها عادةً نتريد السيليكون المتخصص في أجهزة الكمبيوتر الحديثة. استخدم الباحثون جسيمات الليسين النانوية لهذه المهمة. ولضمان بقاء هذه الكرات الصغيرة في مكانها وتشكيل طبقة موحدة، عالجوا سطح الجهاز بعامل كيميائي يعمل مثل الشريط اللاصق ذي الوجهين؛ حيث يلتصق أحد جانبي هذا الشريط بقاعدة الجهاز، بينما يرتبط الجانب الآخر كيميائيًا بمجموعات الأمين الموجودة في جسيمات الليسين النانوية. هذه العملية، المعروفة باسم التجميع الذاتي، سمحت للجسيمات النانوية بالاصطفاف بدقة على السطح، مما خلق طبقة مستقرة قادرة على حبس الشحنات الكهربائية. اختبر الباحثون هذا الإعداد على نوعين مختلفين من الأسطح: رقاقة سيليكون صلبة، وهي المعيار لرقائق الكمبيوتر، وصفيحة بلاستيكية مرنة تسمى بولي إيثيلين تيريفثاليت، وهي نفس المادة المستخدمة في زجاجات المياه والإلكترونيات المرنة.

عندما طبق الفريق تيارًا كهربائيًا على جهازهم الجديد، لاحظوا أنه يمكنه بالفعل تخزين المعلومات. في الاختبارات باستخدام قاعدة السيليكون الصلبة، أظهر الجهاز قدرة واضحة على تذكر الحالة. فمن خلال تطبيق جهد كهربائي محدد، استطاعوا "كتابة" البيانات عن طريق حبس الشحنات الكهربائية في طبقة الليسين. وعندما طبقوا جهدًا مختلفًا، استطاعوا "مسح" تلك البيانات عن طريق تحرير الشحنات. أظهر الجهاز "نافذة ذاكرة" — وهي مقياس لمدى قدرته على التمييز بين الحالة المكتوبة والممسوحة — بلغت 5.1 فولت. هذه إشارة قوية، تشير إلى أن جسيمات الليسين النانوية فعالة في الاحتفاظ بالمعلومات الكهربائية التي تُعطى لها. كما لاحظ الباحثون أن الجهاز يتصرف بطريقة تشير إلى أنه حساس للرطوبة وحموضة بيئته، وهي سمة شائعة في المواد البيولوجية يمكن أن تكون مفيدة لاستشعار التغيرات في الجسم.

أسفرت التجربة على الركيزة البلاستيكية المرنة عن نتائج مماثلة، وإن كانت مختلفة قليلاً. لقد عمل الجهاز على البلاستيك القابل للانحناء بنفس كفاءة عمله على السيليكون الصلب، مما يثبت أن تكنولوجيا الذاكرة هذه ليست مقتصرة على الرقائق الصلبة والمسطحة. ومع ذلك، وجد الباحثون أن النسخة المرنة واجهت صعوبة طفيفة في العودة إلى حالتها الأصلية بدقة بعد مسحها، ويرجع ذلك على الأرجب إلى أن الطبقة البلاستيكية المستخدمة لتماسك الجهاز لديها أيضًا ميل لتخزين بعض الشحنات من تلقاء نفسها. رغم هذا النقص الطفيف، نجح الجهاز في إثبات إمكانية برمجته ومسحه على سطح مرن. وهذا اكتشاف حاسم لأنه يوضح أن أجهزة الذاكرة يمكن صنعها من مواد عضوية بالكامل آمنة للجسم وقادرة على الانحناء، وهو أمر ضروري للتطبيقات المستقبلية حيث تحتاج الإلكترونيات إلى التحرك مع جسم الإنسان.

تؤكد الدراسة أن جسيمات بولي-إل-ليسين النانوية يمكن أن تعمل كطبقة موثوقة لحبس الشحنة في أجهزة الذاكرة العضوية. ومن خلال الجمع بين هذه الجسيمات النانوية البيولوجية وأشباه الموصلات من الإنديغو وقاعدة بلاستيكية مرنة، أنشأ الباحثون نموذجًا أوليًا يسد الفجوة بين أجهزة الكمبيوتر الصلبة والأنظمة البيولوجية اللينة. ورغم أن الجهاز ليس جاهزًا بعد للاستخدام التجاري، إلا أن النتائج تشير إلى مسار واضح للمضي قدمًا في تطوير أنظمة ذاكرة مصنوعة بالكامل من مواد حيوية. ويمكن لهذه الأجهزة المستقبلية أن تعمل يومًا ما كواجهة بين دماغ الإنسان وأجهزة الكمبيوتر، مما يسم يسمح بتبادل سلس للمعلومات يكون آمنًا للجسم وقادرًا على التكيف مع البيئة المعقدة والمتحركة للأنسجة الحية.