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

In un angolo tranquillo dell'elettronica dove la biologia incontra il silicio, i ricercatori stanno esplorando un nuovo tipo di memoria. I chip informatici tradizionali memorizzano i dati intrappolando minuscole cariche elettriche in strati di silicio e metallo, ma questi materiali sono rigidi e spesso tossici. Un campo crescente della bioelettronica si chiede se le molecole morbide e umide della vita — proteine, zuccheri e amminoacidi — possano svolgere lo stesso compito. L'obiettivo è costruire dispositivi che possano comunicare direttamente con il tessuto vivente, forse per aiutare una persona paralizzata a controllare un computer con i propri pensieri o per monitorare la salute dall'interno del corpo. Perché ciò funzioni, la componente di memoria deve essere fatta di materiali che siano sicuri per il corpo e abbastanza flessibili da piegarsi senza rompersi. La sfida consiste nel trovare una biomolecola che possa trattenere una carica elettrica abbastanza a lungo da ricordare un pezzo di informazione, agendo come un minuscolo interruttore biologico che rimane acceso o spento anche quando l'alimentazione viene rimossa.

Un team di ricercatori presso l'Università Myongji in Corea del Sud ha compiuto un passo significativo verso questo obiettivo, creando un dispositivo di memoria utilizzando un comune mattone fondamentale della vita: un amminoacido chiamato lisina. Non hanno utilizzato l'amminoacido nella sua forma grezza, ma lo hanno assemblato in minuscoli cluster sferici noti come nanoparticelle. Questi cluster sono stati poi incorporati in un sottile film di indaco, lo stesso colorante blu profondo usato per secoli per colorare i jeans denim. I ricercatori hanno combinato questi materiali biologici e naturali per creare una cella di memoria che può essere scritta e cancellata, proprio come un normale chip per computer, ma con una struttura costruita da zero utilizzando ingredienti organici e biocompatibili.

Il cuore della loro invenzione è uno strato progettato per catturare e trattenere le cariche elettriche, una funzione solitamente svolta dal nitruro di silicio specializzato nei computer moderni. I ricercatori hanno utilizzato le nanoparticelle di lisina per questo compito. Per garantire che queste minuscole sfere rimanessero al loro posto e formassero uno strato uniforme, hanno trattato la superficie del dispositivo con un agente chimico che agisce come un nastro biadesivo. Un lato di questo nastro aderisce alla base del dispositivo, mentre l'altro lato si lega chimicamente ai gruppi amminici delle nanoparticelle di lisina. Questo processo, noto come auto-assemblaggio, ha permesso alle nanoparticelle di allinearsi ordinatamente sulla superficie, creando uno strato stabile capace di intrappolare le cariche elettriche. I ricercatori hanno testato questa configurazione su due diversi tipi di superfici: un wafer di silicio rigido, che è lo standard per i chip informatici, e un foglio di plastica flessibile chiamato polietilene tereftalato, lo stesso materiale utilizzato per le bottiglie d'acqua e l'elettronica flessibile.

Quando il team ha applicato elettricità al loro nuovo dispositivo, ha osservato che esso poteva effettivamente memorizzare informazioni. Nei test eseguiti con la base di silicio rigida, il dispositivo ha mostrato una chiara capacità di ricordare uno stato. Applicando una tensione specifica, potevano "scrivere" i dati intrappolando le cariche elettriche nello strato di lisina. Quando applicavano una tensione diversa, potevano "cancellare" quei dati rilasciando le cariche. Il dispositivo ha dimostrato una finestra di memoria — una misura di quanto chiaramente possa distinguere tra uno stato scritto e uno cancellato — di 5,1 volt. Questo è un segnale forte, che indica che le nanoparticelle di lisina sono efficaci nel trattenere l'informazione elettrica ricevuta. I ricercatori hanno anche notato che il dispositivo si comportava in modo tale da suggerire una sensibilità all'umidità e all'acidità del suo ambiente, un tratto comune nei materiali biologici che potrebbe essere utile per rilevare cambiamenti nel corpo.

L'esperimento sul substrato di plastica flessibile ha prodotto risultati simili, sebbene leggermente diversi. Il dispositivo ha funzionato altrettanto bene sulla plastica pieghevole quanto sul silicio rigido, dimostrando che questa tecnologia di memoria non è limitata ai chip duri e piatti. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che la versione flessibile aveva una difficoltà leggermente maggiore nel tornare esattamente al suo stato originale dopo essere stata cancellata, probabilmente perché lo strato di plastica utilizzato per tenere insieme il dispositivo ha anch'esso una tendenza a trattenere parte della carica. Nonostante questa minore imperfezione, il dispositivo ha dimostrato con successo di poter essere programmato e cancellato su una superficie flessibile. Questa è una scoperta cruciale perché dimostra che i dispositivi di memoria possono essere realizzati con materiali completamente organici, sicuri per il corpo e capaci di piegarsi, il che è essenziale per le future applicazioni in cui l'elettronica deve muoversi con il corpo umano.

Lo studio conferma che le nanoparticelle di poli-L-lisina possono servire come uno strato di intrappolamento della carica affidabile nei dispositivi di memoria organica. Combinando queste nanoparticelle biologiche con un semiconduttore di indaco e una base di plastica flessibile, i ricercatori hanno creato un prototipo che colma il divario tra l'hardware rigido del computer e i sistemi biologici morbidi. Sebbene il dispositivo non sia ancora pronto per l'uso commerciale, i risultati suggeriscono una chiara strada da seguire per lo sviluppo di sistemi di memoria realizzati interamente con biomateriali. Questi futuri dispositivi potrebbero un giorno servire come interfaccia tra il cervello umano e i computer, permettendo uno scambio di informazioni fluido che sia allo stesso tempo sicuro per il corpo e capace di adattarsi all'ambiente complesso e in movimento dei tessuti viventi.