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

In der stillen Ecke der Elektronik, wo Biologie auf Silizium trifft, erforschen Forscher eine neue Art von Speicher. Traditionelle Computerchips speichern Daten, indem sie winzige elektrische Ladungen in Schichten aus Silizium und Metall einfangen, aber diese Materialien sind starr und oft toxisch. Ein wachsendes Feld der Bioelektronik stellt die Frage, ob die weichen, feuchten Moleküle des Lebens – Proteine, Zucker und Aminosäuren – dieselbe Aufgabe erfüllen könnten. Das Ziel ist es, Geräte zu bauen, die direkt mit lebendem Gewebe kommunizieren können, vielleicht um einer gelähmten Person zu helfen, einen Computer mit ihren Gedanken zu steuern, oder um die Gesundheit aus dem Inneren des Körpers zu überwachen. Damit dies funktioniert, muss die Speicherkomponente aus Materialien bestehen, die sicher für den Körper sind und flexibel genug sind, um sich zu biegen, ohne zu brechen. Die Herausforderung besteht darin, ein Biomolekül zu finden, das eine elektrische Ladung lange genug halten kann, um ein Stück Information zu speichern – als ein winziger, biologischer Schalter, der auch dann auf „Ein“ oder „Aus“ bleibt, wenn der Strom abgeschaltet ist.

Ein Forschungsteam der Myongji University in Südkorea hat einen bedeutenden Schritt in Richtung dieses Ziels unternommen, indem es ein Speichergerät unter Verwendung eines Grundbausteins des Lebens erschaffen hat: einer Aminosäure namens Lysin. Sie verwendeten die Aminosäure nicht in ihrer Rohform, sondern setzten sie zu winzigen, kugelförmigen Clustern zusammen, die Nanopartikel genannt werden. Diese Cluster wurden dann in einen dünnen Film aus Indigo eingebettet, dem gleichen tiefblauen Farbstoff, der seit Jahrhunderten verwendet wird, um Denim-Jeans einzufärben. Die Forscher kombinierten diese biologischen und natürlichen Materialien, um eine Speicherzelle zu schaffen, die beschrieben und gelöscht werden kann, ganz ähnlich wie ein Standard-Computerchip, jedoch mit einer Struktur, die von Grund auf aus organischen, biokompatiblen Zutaten aufgebaut wurde.

Der Kern ihrer Erfindung ist eine Schicht, die darauf ausgelegt ist, elektrische Ladungen einzufangen und festzuhalten – eine Funktion, die in modernen Computern normalerweise von spezialisiertem Siliziumnitrid erfüllt wird. Die Forscher nutzten die Lysin-Nanopartikel für diese Aufgabe. Um sicherzustellen, dass diese winzigen Kugeln an ihrem Platz bleiben und eine gleichmäßige Schicht bilden, behandelten sie die Oberfläche des Geräts mit einem chemischen Agens, das wie ein doppelseitiges Klebeband wirkt. Eine Seite dieses Klebebands haftet an der Basis des Geräts, während die andere Seite eine chemische Bindung mit den Aminogruppen der Lysin-Nanopartikel eingeht. Dieser Prozess, bekannt als Selbstassemblierung, ermöglichte es den Nanopartikeln, sich ordentlich auf der Oberfläche auszurichten und so eine stabile Schicht zu bilden, die in der Lage ist, elektrische Ladungen einzufangen. Die Forscher testeten diesen Aufbau auf zwei verschiedenen Arten von Oberflächen: einem starren Silizium-Wafer, der Standard für Computerchips ist, und einer flexiblen Kunststofffolie aus Polyethylenterephthalat, dem gleichen Material, das für Wasserflaschen und flexible Elektronik verwendet wird.

Als das Team Elektrizität auf ihr neues Gerät anwandte, beobachteten sie, dass es tatsächlich Informationen speichern konnte. In den Tests mit der starren Siliziumbasis zeigte das Gerät eine klare Fähigkeit, einen Zustand zu speichern. Durch das Anlegen einer spezifischen Spannung konnten sie Daten „schreiben“, indem sie elektrische Ladungen in der Lysinschicht einfingen. Wenn sie eine andere Spannung anlegten, konnten sie diese Daten durch das Freisetzen der Ladungen wieder „löschen“. Das Gerät demonstrierte ein Speicherfenster – ein Maß dafür, wie klar es zwischen einem geschriebenen und einem gelöschten Zustand unterscheiden kann – von 5,1 Volt. Dies ist ein starkes Signal, das darauf hindeutet, dass die Lysin-Nanopartikel effektiv darin sind, die ihnen gegebene elektrische Information festzuhalten. Die Forscher stellten auch fest, dass sich das Gerät auf eine Weise verhielt, die darauf hindeutet, dass es empfindlich auf Feuchtigkeit und den Säuregehalt seiner Umgebung reagiert – eine Eigenschaft, die bei biologischen Materialien üblich ist und nützlich sein könnte, um Veränderungen im Körper zu erfassen.

Das Experiment auf dem flexiblen Kunststoffsubstrat lieferte ähnliche, wenn auch leicht abweichende Ergebnisse. Das Gerät funktionierte auf dem biegbaren Kunststoff genauso gut wie auf dem starren Silizium, was beweist, dass diese Speichertechnologie nicht auf harte, flache Chips beschränkt ist. Dennoch stellten die Forscher fest, dass die flexible Version etwas mehr Schwierigkeiten hatte, nach dem Löschen exakt in ihren ursprüngigen Zustand zurückzukehren, was wahrscheinlich daran liegt, dass die Kunststoffschicht, die das Gerät zusammenhält, ebenfalls dazu neigt, selbst einige Ladungen zu speichern. Trotz dieser kleinen Unvollkommenheit demonstrierte das Gerät erfolgreich, dass es auf einer flexiblen Oberfläche programmiert und gelöscht werden kann. Dies ist ein entscheidender Befund, da er zeigt, dass Speichergeräte aus vollständig organischen Materialien hergestellt werden können, die sicher für den Körper sind und sich biegen lassen, was essenziell für zukünftige Anwendungen ist, bei denen Elektronik sich mit dem menschlichen Körper bewegen muss.

Die Studie bestätigt, dass Poly-L-Lysin-Nanopartikel als zuverlässige Ladungsfangschicht in organischen Speichergeräten dienen können. Durch die Kombination dieser biologischen Nanopartikel mit einem Indigo-Halbleiter und einer flexiblen Kunststoffbasis haben die Forscher einen Prototyp geschaffen, der die Lücke zwischen starrer Computerhardware und weichen biologischen Systemen schließt. Obwohl das Gerät noch nicht bereit für die kommerzielle Nutzung ist, deuten die Ergebnisse auf einen klaren Weg für die Entwicklung von Speichersystemen hin, die vollständig aus Biomaterialien bestehen. Diese zukünftigen Geräte könnten eines Tages als Schnittstelle zwischen dem menschlichen Gehirn und Computern dienen und einen nahtlosen Informationsaustausch ermöglichen, der sowohl sicher für den Körper als auch in der Lage ist, sich an die komplexe, bewegliche Umgebung von lebendem Gewebe anzupassen.