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

In de stille hoek van de elektronica waar biologie en silicium elkaar ontmoeten, verkennen onderzoekers een nieuw soort geheugen. Traditionele computerchips slaan gegevens op door minuscule elektrische ladingen te vangen in lagen silicium en metaal, maar deze materialen zijn stijf en vaak giftig. Een groeiend veld binnen de bio-elektronica stelt de vraag of de zachte, natte moleculen van het leven — eiwitten, suikers en aminozuren — dezelfde taak zouden kunnen vervullen. Het doel is om apparaten te bouwen die direct met levend weefsel kunnen communiceren, bijvoorbeeld om een verlamd persoon te helpen een computer met hun gedachten te besturen of om de gezondheid van binnenuit het lichaam te monitoren. Hiervoor moet het geheugendeel gemaakt zijn van materialen die veilig zijn voor het lichaam en flexibel genoeg zijn om te buigen zonder te breken. De uitdaging ligt in het vinden van een biomolecuul dat een elektrische lading lang genoeg kan vasthouden om een stukje informatie te onthouden, als een minuscule, biologische schakelaar die aan of uit blijft, zelfs wanneer de stroom wordt uitgeschakeld.

Een team onderzoekers aan de Myongji Universiteit in Zuid-Korea heeft een belangrijke stap richting dit doel gezet door een geheugentoestel te creëren met behulp van een veelvoorkomende bouwsteen van het leven: een aminozuur genaamd lysine. Ze gebruikten het aminozuur niet in zijn ruwe vorm, maar assembleerden het tot piepkleine, bolvormige clusters die nanopartikels worden genoemd. Deze clusters werden vervolgens ingebed in een dunne film indigo, de diepblauwe kleurstof die al eeuwenlang wordt gebruikt om denim jeans te kleuren. De onderzoekers combineerden deze biologische en natuurlijke materialen om een geheugencel te creëren die beschreven en gewist kan worden, net als een standaard computerchip, maar met een structuur die vanaf de basis is opgebouwd met organische, biocompatibele ingrediënten.

De kern van hun uitvinding is een laag die is ontworpen om elektrische ladingen op te vangen en vast te houden, een functie die normaal gesproken wordt uitgevoerd door gespecialiseerd siliciumnitride in moderne computers. De onderzoekers gebruikten de lysine-nanopartikels voor deze taak. Om ervoor te zorgen dat deze minuscule sferen op hun plaats bleven en een uniforme laag vormden, behandelden ze het oppervlak van het apparaat met een chemisch agens dat werkt als dubbelzijdige tape. Eén kant van deze tape plakt aan de basis van het apparaat, terwijl de andere kant zich chemisch verbindt met de aminogroepen van de lysine-nanopartikels. Dit proces, bekend als zelfassemblage, stelde de nanopartikels in staat om netjes op het oppervlak te lijnen, waardoor een stabiele laag ontstond die in staat is om elektrische ladingen te vangen. De onderzoekers testten deze opstelling op twee verschillende soorten oppervlakken: een stijve siliciumwafer, de standaard voor computerchips, en een flexibel plastic vel genaamd polyethyleentereftalaat, hetzelfde materiaal dat wordt gebruikt voor waterflessen en flexibele elektronica.

Toen het team elektriciteit op hun nieuwe apparaat toepaste, observeerden ze dat het inderdaad informatie kon opslaan. Bij de tests met de stijve siliciumbasis toonde het apparaat een duidelijk vermogen om een staat te onthouden. Door een specifieke spanning toe te passen, konden ze gegevens "schrijven" door elektrische ladingen in de lysinelayer te vangen. Wanneer ze een andere spanning toepasten, konden ze die gegevens "wissen" door de ladingen vrij te laten. Het apparaat vertoonde een geheugenvenster — een maatstaf voor hoe duidelijk het onderscheid kan maken tussen een geschreven en een gewiste staat — van 5,1 volt. Dit is een sterk signaal, wat aangeeft dat de lysine-nanopartikels effectief zijn in het vasthouden van de elektrische informatie die ze krijgen. De onderzoekers merkten ook op dat het apparaat zich op een manier gedroeg die suggereert dat het gevoelig is voor vocht en de zuurgraad van zijn omgeving, een eigenschap die gebruikelijk is bij biologische materialen en die nuttig zou kunnen zijn voor het detecteren van veranderingen in het lichaam.

Het experiment op de flexibele plastic drager leverde vergelijkbare, zij het iets andere, resultaten op. Het apparaat werkte even goed op het buigbare plastic als op het stijve silicium, wat bewijst dat deze geheugentechnologie niet beperkt is tot harde, platte chips. De onderzoekers stelden echter vast dat de flexibele versie er iets meer moeite mee had om na het wissen exact naar de oorspronkelijke staat terug te keren, waarschijnlijk omdat de plastic laag die het apparaat bij elkaar houdt ook de neiging heeft om zelf enige lading op te slaan. Ondanks deze kleine imperfectie demonstreerde het apparaat succesvol dat het geprogrammeerd en gewist kon worden op een flexibel oppervlak. Dit is een cruciaal bevinding omdat het aantoont dat geheugenapparaten gemaakt kunnen worden van volledig organische materialen die veilig zijn voor het lichaam en in staat zijn om te buigen, wat essentieel is voor toekomstige toepassingen waarbij elektronica mee moet bewegen met het menselijk lichaam.

De studie bevestigt dat poly-L-lysine nanopartikels als een betrouwbare ladingsvangende laag in organische geheugentoestellen kunnen dienen. Door deze biologische nanopartikelen te combineren met een indigo halfgeleider en een flexibele plastic basis, hebben de onderzoekers een prototype gecreëerd dat de kloof overbrugt tussen rigide computerhardware en zachte biologische systemen. Hoewel het apparaat nog niet klaar is voor commercieel gebruik, suggereren de resultaten een duidelijke weg voorwaarts voor de ontwikkeling van geheugensystemen die volledig van biomaterialen zijn gemaakt. Deze toekomstige apparaten zouden ooit kunnen dienen als de interface tussen het menselijk brein en computers, waardoor een naadloze uitwisseling van informatie mogelijk wordt die zowel veilig is voor het lichaam als in staat is om zich aan te passen aan de complexe, bewegende omgeving van levend weefsel.