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

इलेक्ट्रॉनिक्स के उस शांत कोने में जहाँ जीव विज्ञान सिलिकॉन से मिलता है, शोधकर्ता एक नए प्रकार की मेमोरी की खोज कर रहे हैं। पारंपरिक कंप्यूटर चिप्स डेटा को सिलिकॉन और धातु की परतों में सूक्ष्म विद्युत आवेशों (इलेक्ट्रिकल चार्जेस) को फँसाकर संग्रहीत करते हैं, लेकिन ये सामग्रियाँ कठोर और अक्सर विषाक्त होती हैं। बायोइलेक्ट्रॉनिक्स का एक बढ़ता हुआ क्षेत्र यह सवाल उठाता है कि क्या जीवन के कोमल, गीले अणु—प्रोटीन, शर्करा और अमीनो एसिड—यही काम कर सकते हैं। इसका लक्ष्य ऐसे उपकरण बनाना है जो जीवित ऊतकों (लिविंग टिश्यू) से सीधे बात कर सकें, शायद किसी लकवाग्रस्त व्यक्ति को अपने विचारों से कंप्यूटर नियंत्रित करने में मदद करने के लिए या शरीर के भीतर स्वास्थ्य की निगरानी करने के लिए। इसके काम करने के लिए, मेमोरी घटक ऐसी सामग्रियों से बना होना चाहिए जो शरीर के लिए सुरक्षित हों और बिना टूटे मुड़ने के लिए पर्याप्त लचीली हों। चुनौती एक ऐसे बायोमोलेक्यूल को खोजने में है जो जानकारी के एक टुकड़े को याद रखने के लिए पर्याप्त समय तक विद्युत आवेश को थाम सके, जो एक छोटे, जैविक स्विच की तरह कार्य करे और बिजली बंद होने पर भी 'ऑन' या 'ऑफ' रहे।

दक्षिण कोरिया के म्योंगजी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने जीवन के एक सामान्य निर्माण खंड, लाइसिन नामक अमीनो एसिड का उपयोग करके एक मेमोरी डिवाइस बनाकर इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने अमीनो एसिड का उपयोग उसके कच्चे रूप में नहीं किया, बल्कि इसे नैनोपार्टिकल्स के रूप में जाने जाने वाले छोटे, गोलाकार क्लस्टरों में व्यवस्थित किया। इन क्लस्टरों को फिर इंडिगो की एक पतली परत में समाहित किया गया, जो वही गहरा नीला रंग है जिसका उपयोग सदियों से डेनिम जींस को रंगने के लिए किया जाता रहा है। शोधकर्ताओं ने इन जैविक और प्राकृतिक सामग्रियों को मिलाकर एक मेमोरी सेल बनाया जिसे मानक कंप्यूटर चिप की तरह लिखा और मिटाया जा सकता है, लेकिन इसकी संरचना पूरी तरह से जैविक, जैव-अनुकूल (बायोकम्पैटिबल) सामग्रियों से बनाई गई है।

उनके आविष्कार का मुख्य हिस्सा एक ऐसी परत है जिसे विद्युत आवेशों को पकड़ने और थामने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो कार्य आमतौर पर आधुनिक कंप्यूटरों में विशेष सिलिकॉन नाइट्राइड द्वारा किया जाता है। शोधकर्ताओं ने इस काम के लिए लाइसिन नैनोपार्टिकल्स का उपयोग किया। यह सुनिश्चित करने के लिए कि ये नन्हे गोले अपनी जगह पर बने रहें और एक समान परत बनाएं, उन्होंने डिवाइस की सतह को एक रासायनिक एजेंट से उपचारित किया जो 'डबल-साइडेड टेप' की तरह कार्य करता है। इस टेप का एक हिस्सा डिवाइस के आधार से चिपक जाता है, जबकि दूसरा हिस्सा लाइसिन नैनोपार्टिकल्स के अमीनो समूहों के साथ रासायनिक रूप से जुड़ जाता है। 'सेल्फ-असेंबली' के रूप में जानी जाने वाली इस प्रक्रिया ने नैनोपार्टिकल्स को सतह पर करीने से पंक्तिबद्ध होने दिया, जिससे एक स्थिर परत बनी जो विद्युत आवेशों को पकड़ने में सक्षम है। शोधकर्ताओं ने इस सेटअप का परीक्षण दो अलग-अलग प्रकार की सतहों पर किया: एक कठोर सिलिकॉन वेफर, जो कंप्यूटर चिप्स के लिए मानक है, और एक लचीली प्लास्टिक शीट जिसे पॉलीइथाइलीन टेरेफ्थेलेट कहा जाता है, वही सामग्री जिसका उपयोग पानी की बोतलों और लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स में किया जाता है।

जब टीम ने अपने नए डिवाइस पर बिजली लागू की, तो उन्होंने देखा कि यह वास्तव में सूचना संग्रहीत कर सकता है। कठोर सिलिकॉन बेस का उपयोग करने वाले परीक्षणों में, डिवाइस ने एक अवस्था को याद रखने की स्पष्ट क्षमता दिखाई। एक विशिष्ट वोल्टेज लागू करके, वे लाइसिन परत में विद्युत आवेशों को फँसाकर डेटा को "लिख" (write) सकते थे। जब उन्होंने एक अलग वोल्टेज लगाया, तो वे उन आवेशों को मुक्त करके उस डेटा को "मिटा" (erase) सकते थे। डिवाइस ने एक 'मेमोरी विंडो' प्रदर्शित की—जो इस बात का माप है कि यह लिखित और मिटाए गए अवस्था के बीच कितनी स्पष्टता से अंतर कर सकता है—जो 5.1 वोल्ट थी। यह एक मजबूत संकेत है, जो दर्शाता है कि लाइसिन नैनोपिकल्स उन्हें दिए गए विद्युत सूचना को थामने में प्रभावी हैं। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि डिवाइस इस तरह व्यवहार करता है जो बताता है कि यह नमी और अपने वातावरण की अम्लता के प्रति संवेदनशील है, जो जैविक सामग्रियों में एक सामान्य गुण है और शरीर में परिवर्तनों को महसूस करने के लिए उपयोगी हो सकता है।

लचीले प्लास्टिक सबस्ट्रेट पर किए गए प्रयोग ने समान, हालांकि थोड़े अलग परिणाम दिए। डिवाइस लचीले प्लास्टिक पर भी उतना ही अच्छा काम कर गया जितना कि कठोर सिलिकॉन पर, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह मेमोरी तकनीक कठोर, सपाट चिप्स तक सीमित नहीं है। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि लचीले संस्करण को मिटाए जाने के बाद अपनी सटीक मूल अवस्था में लौटने में थोड़ी अधिक कठिनाई हुई, संभवतः इसलिए क्योंकि प्लास्टिक की परत, जिसका उपयोग डिवाइस को थामने के लिए किया गया है, उसमें स्वयं कुछ आवेश संग्रहीत करने की प्रवृत्ति होती है। इस मामूली खामी के बावजूद, डिवाइस ने सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया कि इसे एक लचीली सतह पर प्रोग्राम और मिटाया जा सकता है। यह एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष है क्योंकि यह दिखाता है कि मेमोरी डिवाइस पूरी तरह से जैविक सामग्रियों से बनाए जा सकते हैं जो शरीर के लिए सुरक्षित हैं और मुड़ने में सक्षम हैं, जो भविष्य के उन अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक है जहाँ इलेक्ट्रॉनिक्स को मानव शरीर के साथ गति करने की आवश्यकता होती है।

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि पॉली-एल-लाइसिन नैनोपार्टिकल्स ऑर्गेनिक मेमोरी डिवाइसेस में एक विश्वसनीय चार्ज-ट्रैपिंग लेयर के रूप में कार्य कर सकते हैं। एक इंडिगो सेमीकंडक्टर और एक लचीले प्लास्टिक बेस के साथ इन जैविक नैनोपार्टिकल्स को जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक प्रोटोटाइप बनाया है जो कठोर कंप्यूटर हार्डवेयर और कोमल जैविक प्रणालियों के बीच के अंतर को पाटता है। हालाँकि यह डिवाइस अभी व्यावसायिक उपयोग के लिए तैयार नहीं है, लेकिन परिणाम बायो-मटेरियल्स से बने मेमोरी सिस्टम विकसित करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग सुझाते हैं। ये भविष्य के उपकरण एक दिन मानव मस्तिष्क और कंप्यूटर के बीच इंटरफेस के रूप में कार्य कर सकते हैं, जिससे सूचनाओं का एक निर्बाध आदान-प्रदान संभव होगा जो शरीर के लिए सुरक्षित है और जीवित ऊतकों के जटिल, गतिशील वातावरण के अनुकूल होने में सक्षम है।