Transistor ibridi: la rivoluzione della tecnologia biologica
Transistor ibridi: la rivoluzione della tecnologia biologicaUn gruppo di ricerca del Silklab dell’Università di Tufts ha sviluppato transistor utilizzando la seta biologica come materiale isolante, permettendo loro di interagire con l’ambiente come tessuto vivente. Questi transistor ibridi possono rilevare varie sostanze e condizioni, potenzialmente rivoluzionando il monitoraggio della salute e l’informatica. Modificando la composizione ionica dell’isolante di seta, questi transistor possono elaborare informazioni variabili, simili al calcolo analogico. Questa svolta nella tecnologia dei microprocessori potrebbe portare a microprocessori auto-apprendenti e a nuove interfacce tra elettronica e biologia.
Transistor a scala di microprocessore rilevano e rispondono a stati biologici e all’ambiente
Il tuo telefono potrebbe avere più di 15 miliardi di piccoli transistor racchiusi nei suoi chip di microprocessori. I transistor sono fatti di silicio, metalli come oro e rame, e isolanti che insieme prendono una corrente elettrica e la convertono in 1 e 0 per comunicare e memorizzare informazioni. I materiali del transistor sono inorganici, derivati fondamentalmente da roccia e metallo.
Ma cosa succederebbe se potessimo rendere questi componenti elettronici fondamentali in parte biologici, in grado di rispondere direttamente all’ambiente e cambiare come tessuto vivente?
Ricerca innovativa dell’Università di Tufts
Questo è ciò che un team del Silklab dell’Università di Tufts ha fatto quando ha creato transistor sostituendo il materiale isolante con seta biologica. Hanno recentemente riportato i loro risultati sulla rivista scientifica Advanced Materials.
La fibroina della seta, la proteina strutturale delle fibre di seta, può essere depositata con precisione sulle superfici e facilmente modificata con altre molecole chimiche e biologiche per cambiarne le proprietà. La seta funzionalizzata in questo modo può rilevare una vasta gamma di componenti dal corpo o dall’ambiente.
Progressi nel monitoraggio della salute
La prima dimostrazione del team di un dispositivo prototipo ha utilizzato i transistor ibridi per realizzare un sensore di respiro altamente sensibile e ultra-rapido, rilevando cambiamenti di umidità. Ulteriori modifiche dello strato di seta potrebbero consentire ai dispositivi di rilevare alcune malattie cardiovascolari e polmonari, così come l’apnea del sonno, o rilevare i livelli di anidride carbonica e altre sostanze gassose e molecole nel respiro che potrebbero fornire informazioni diagnostiche. Utilizzati con il plasma sanguigno, potrebbero potenzialmente fornire informazioni sui livelli di ossigenazione e glucosio, anticorpi circolanti e altro ancora.
Funzionalità del transistor ibrido
Un transistor è semplicemente un interruttore elettrico, con un conduttore elettrico metallico che entra e un altro che esce. Tra i conduttori c’è il materiale semiconduttore, chiamato così perché non è in grado di condurre elettricità a meno che non venga stimolato.
Un’altra fonte di input elettrico chiamata “gate” è separata da tutto il resto da un isolante. Il gate agisce come la “chiave” per accendere e spegnere il transistor. Esso attiva lo stato “on” quando una tensione di soglia – che chiameremo ”1″ - crea un campo elettrico attraverso l’isolante, preparando il movimento degli elettroni nel semiconduttore e avviando il flusso di corrente attraverso i conduttori.
In un transistor ibrido biologico, uno strato di seta viene utilizzato come isolante, e quando assorbe umidità, agisce come un gel che trasporta qualsiasi ione (molecole cariche elettricamente) contenuto al suo interno. Il gate attiva lo stato “on” riorganizzando gli ioni nel gel di seta. Modificando la composizione ionica nella seta, l’operazione del transistor cambia, permettendogli di essere attivato da qualsiasi valore di gate tra zero e uno.
Il futuro dell’integrazione tra informatica e biologia
“Potresti immaginare di creare circuiti che fanno uso di informazioni che non sono rappresentate dai livelli binari discreti utilizzati nel calcolo digitale, ma possono elaborare informazioni variabili come nel calcolo analogico, con la variazione causata dal cambiamento di ciò che è dentro l’isolante di seta”, ha detto Omenetto. “Questo apre la possibilità di introdurre la biologia nel calcolo all’interno dei moderni microprocessori”, ha detto Omenetto. Naturalmente, il computer biologico più potente conosciuto è il cervello, che elabora le informazioni con livelli variabili di segnali chimici ed elettrici.
La sfida tecnica nella creazione di transistor ibridi biologici era di ottenere la lavorazione della seta a nanoscala, fino a 10nm o meno di 1/10000 del diametro di un capello umano. “Avendo raggiunto questo, possiamo ora realizzare transistor ibridi con gli stessi processi di fabbricazione che vengono utilizzati per la produzione di chip commerciali”, ha detto Beom Joon Kim, ricercatore post-dottorato presso la School of Engineering. “Questo significa che puoi realizzare un miliardo di questi con le capacità disponibili oggi.”
Avere miliardi di nodi di transistor con connessioni riconfigurate dai processi biologici nella seta potrebbe portare a microprocessori che potrebbero agire come le reti neurali utilizzate nell’IA. “Guardando avanti, si potrebbe immaginare di avere circuiti integrati che si addestrano da soli, rispondono ai segnali ambientali e registrano la memoria direttamente nei transistor piuttosto che inviarla a una memoria separata”, ha detto Omenetto.
Dispositivi che rilevano e rispondono a stati biologici più complessi, così come il calcolo analogico su larga scala e neuromorfico, devono ancora essere creati. Omenetto è ottimista per le opportunità future. “Questo apre una nuova via di pensiero sull’interfaccia tra elettronica e biologia, con molte importanti scoperte fondamentali e applicazioni future.”
Riferimento: “Bimodal Gating Mechanism in Hybrid Thin-Film Transistors Based on Dynamically Reconfigurable Nanoscale Biopolymer Interfaces” di Beom Joon Kim, Giorgio Ernesto Bonacchini, Nicholas A. Ostrovsky-Snider e Fiorenzo G. Omenetto, 28 agosto 2023, Advanced Materials.
DOI: 10.1002/adma.202302062