DNT hər bir canlı orqanizm üçün genetik plan rolunu oynayır, eyni zamanda məlumatı saxlamaq üçün olduqca sıx bir yoldur. Tək bir qram təxminən 215 milyon giqabayt məlumat saxlaya bilər. Bu əlamətdar saxlama tutumunun elektronikaya gətirilməsi daha səmərəli məlumat mərkəzlərinə, daha sürətli emal və getdikcə daha mürəkkəb məlumatları emal edə bilən sistemlərə gətirib çıxara bilər.

Çətinlik bioloji DNT-nin elektron materiallarla yanaşı effektiv şəkildə işləməsinin yolunu tapmaq idi. Penn State tədqiqatçıları artıq bu uyğunsuzluğu aradan qaldırmaq üçün hazırlanmış bir yanaşma hazırlayıblar.

Advanced Functional Materials jurnalında dərc olunmuş və patent müraciəti mövzusu olan əsər iki əsas komponentə əsaslanır. Biri, kommersiya baxımından mövcud olan, kimyəvi cəhətdən hazırlanmış molekullardan hazırlanmış və xüsusi elektron tələblər üçün hazırlanmış qısa genetik ardıcıllıqlara düzülmüş sintetik DNT-dir. Digəri isə günəş batareyaları, lazerlər və məlumat saxlama cihazları da daxil olmaqla texnologiyalarda artıq istifadə olunan yarımkeçirici kristal perovskitdir.

Penn State Universitetində materialşünaslıq və mühəndislik üzrə həmmüəllif və postdoktorantura tədqiqatçısı Kavya S. Keremane bildirib ki, “Biologiya və elektronika fərqli sahələrdir. Bu iki sahəni birləşdirmək, onların birlikdə problemsiz işləməsinə imkan verən tamamilə yeni bir material platforması hazırlamağı tələb edirdi. DNT-nin məlumat saxlama imkanlarını perovskit yarımkeçiricilərinin müstəsna elektron xüsusiyyətləri ilə birləşdirərək, aşağı güclü yaddaş cihazlarının necə dizayn edilə biləcəyini kökündən dəyişdirən bio-hibrid sistem yaratdıq.”

Aşağı Güclü Yaddaş Cihazının Qurulması

Bu materiallardan istifadə edərək, komanda çox az enerji ilə işləyən “memristor” kimi tanınan yaddaş rezistorunu yaratdı. Cib telefonlarından tutmuş kosmik gəmilərə qədər müxtəlif cihazlarda elektrik cərəyanına qarşı müəyyən bir müqaviməti saxlayan və enerji kəsildikdə saxlanılan məlumatları itirən adi rezistorlardan fərqli olaraq, memristorlar əvvəlki elektrik fəaliyyətinin qeydlərini saxlaya bilirlər. Onlar enerji mənbəyi çıxarıldıqdan sonra belə əvvəllər cərəyanın hansı istiqamətdə axdığını xatırlaya bilirlər.

Bu qabiliyyət, neyronların beyində işləmə tərzinə bənzər şəkildə, informasiyanın eyni yerdə saxlanmasına və emal olunmasına imkan verir. Belə bir tənzimləmə daha eyni vaxtda və mürəkkəb məlumat emalı formalarını dəstəkləyə bilər. Lakin tədqiqatçıların fikrincə, praktik kommersiya sistemləri DNT-nin az enerji sərf edərkən çox kiçik bir məkana çoxlu miqdarda məlumat yerləşdirmək qabiliyyəti olmadan bahalı və səmərəsiz hala gəlmək üçün kifayət qədər saxlama tutumuna və elektrik enerjisinə ehtiyac duyardı.

Penn State Universitetinin materialşünaslıq və mühəndislik üzrə həmmüəllif və tədqiqat professoru Bed Poudel bildirib ki, “Süni intellektə (Sİ) tələbat artdıqca, aşağı güclü, yüksək yaddaş tutumuna malik cihazlar üçün yeni bir strategiyaya ehtiyacımız var”.

Poudel, süni intellekt və digər inkişaf etməkdə olan texnologiyaların getdikcə daha çox insan beyni kimi işləmək üçün hazırlanmış neyromorfik hesablamalardan asılı olacağını gözlədiyini söylədi. Bu cür sistemlər əvvəlki təcrübələrə və gələcək prioritetlərə əsaslanaraq qərarlar qəbul edərkən eyni anda birdən çox girişi qiymətləndirə bilər.

“Adətən, daha çox məlumatı saxlamaq üçün daha çox enerji tələb olunur. Lakin cihazımız 100 dəfə az enerji sərf edir və yaddaş tutumu fləş yaddaş qurğuları kimi ənənəvi yaddaş qurğularından daha yüksəkdir.”

Elektrik Keçirmək üçün DNT Mühəndisliyi

Cihazı qurmaq üçün tədqiqatçılar müəyyən tərkibli və uzunluqlu olmaq üçün xüsusi hazırlanmış, perovskitin nazik təbəqələri ilə birləşdirilmiş xüsusi DNT ardıcıllığı təbəqəsinə gümüş nanohissəciklər əlavə etdilər.

“Dopinq” adlanan bu texnika, müəyyən xüsusiyyətlər yaratmaq üçün az miqdarda başqa bir materialın daxil edilməsini əhatə edir. Bu halda, gümüş nanopartiküllərinin əlavə edilməsi DNT-nin elektrik keçirməsinə imkan verərkən, eyni zamanda molekulyar vahidlərinin daha nizamlı bir şəkildə düzülməsinə kömək etdi.

Sintetik DNT təbii DNT-yə nisbətən daha bir vacib üstünlük təklif edirdi. Təbii DNT-dən fərqli olaraq — toxunulduqda yaş spagetti kimi davranan uzun, dolaşıq tellər — qısa və sərt sintetik DNT parçaları olduqca kiçik miqyaslarda daha yüksək dəqiqliklə düzülə bilər.

Tədqiqat professoru və Penn State Huck Həyat Elmləri İnstitutunun Biomolekulyar Qarşılıqlı Əlaqələr Əsas Müəssisəsinin direktoru, həmmüəllif Neela H. Yennawarın sözlərinə görə, molekulyar şəkildə hazırlanmış DNT, təbii DNT-nin nazik təbəqələrə daxil edildikdə əldə edə bilmədiyi struktur təşkilatlanma, tənzimlənən elektrik keçiriciliyi və funksional nəzarət təmin edə bilər.

Yennawar dedi: “Hansı ardıcıllıqlara ehtiyac duyduğumuzu və nə qədər uzun olmalı olduqlarını hesablama yolu ilə dəqiq müəyyən edə bilərik və sonra onları sintetik DNT ilə rasional şəkildə dizayn edə bilərik. Bu strukturlar sistematik olaraq gümüş və digər ionlarla qatılaşdırıla və perovskitlərlə sorunsuz şəkildə qarşılıqlı əlaqədə ola bilər – DNT-ni bioloji makromolekuldan proqramlaşdırıla bilən, çoxfunksiyalı nanomateriallar platformasına çevirir.”

DNT və Perovskit Birlikdə Daha Yaxşı İşləyir

Gümüşlə zənginləşdirilmiş DNT və perovskit birləşdirildikdə, cihazdan elektrik cərəyanının axınını istiqamətləndirən bio-hibrid yollar əmələ gətirdi.

Tədqiqatçılar müəyyən ediblər ki, elektronlar 0,1 voltdan az gərginlik tətbiq etdikdə etibarlı şəkildə hərəkət edir (müqayisə üçün, ABŞ-ın standart rozetkalarında 120 volt var) və cihaz cərəyanın istiqaməti dəyişdirildikdə proqnozlaşdırıla bilən şəkildə reaksiya verir.

Diqqətlə hazırlanmış DNT strukturları perovskitlə birlikdə cihazın qeyri-adi dərəcədə sabit olmasına da kömək etdi. Komandanın sözlərinə görə, cihaz 250 dərəcə Fahrenheitə yaxınlaşan temperaturda sabit işləməyə davam etdi və otaq temperaturunda altı həftədən çox işlək qaldı ki, bu da mövcud perovskit əsaslı yaddaş saxlama cihazlarının performans standartlarını əhəmiyyətli dərəcədə üstələyir.

Tədqiqatçılar həmçinin bildiriblər ki, yeni sistem müqayisə edilə bilən texnologiyalarla eyni yaddaş funksiyasını yerinə yetirə bilər və eyni zamanda yalnız onda biri qədər az enerji sərf edə bilər. Bu səmərəlilik səviyyəsi yanaşmanı daha az enerji tələbatı ilə böyük həcmdə məlumatı emal etmək üçün nəzərdə tutulmuş gələcək elektronika üçün xüsusilə cəlbedici edə bilər.

Keremane dedi: “Yalnız DNT və ya yalnız perovskitin istifadəsi bu kombinasiya qədər güclü nəticə vermədi. Məhz bu kombinasiya çox az enerji tələb edən çox yüksək yaddaş sıxlığına imkan verir.”

Bio-ilhamlı Elektronika üçün Yeni Bir İstiqamət

Komanda indi texnologiyanı daha da təkmilləşdirməyi və bio-ilhamlı elektron sistemlər üçün əlavə istifadə sahələrini araşdırmağı planlaşdırır.

“Təbiətin həlli var – sadəcə onu tapıb tətbiq etməliyik”, – deyə Poudel bildirib. “DNT-nin elektronikaya inteqrasiyası ilə inanılmaz şeylər etmək işi nələrin mümkün olduğuna bir nəzər salmağa imkan verir.”

Keremane, Yennawar və Poudel ilə yanaşı, Penn State Universitetinin digər həmmüəllifləri arasında materialşünaslıq və mühəndislik üzrə doktoranturadan sonrakı tədqiqatlar aparan həmmüəllif Luyao Zheng; materialşünaslıq və mühəndislik üzrə doktorantura tələbəsi Haodong Wu; tədqiqat aparılan dövrdə materialşünaslıq və mühəndislik üzrə magistr tələbəsi olan və o vaxtdan bəri Penn State Universitetini bitirmiş Jiamao Zheng; tədqiqat aparılan dövrdə materialşünaslıq və mühəndislik üzrə professor olan Shashank Priya; və tədqiqat aparılan dövrdə Hack Həyat Elmləri İnstitutunun magistr tələbəsi olan və o vaxtdan bəri Penn State Universitetini bitirmiş Chiranth C. Ravi var. Abhinav Gorthy və Minnesota Universitetinin kimya mühəndisliyi və materialşünaslıq üzrə həmmüəllif Rashmi Jha da töhfələr veriblər.

ABŞ Milli Elm Fondu, Milli Səhiyyə İnstitutları, Penn State və Minnesota Universiteti bu tədqiqatı dəstəkləyib.