2.8. Биотранзистор и биопротонный транзистор

2.8.1. Биотранзистор

Группа ученых с помощью передовых методов из различных областей науки создали транзистор на основе белков, присутствующих в организме человека. По расчетам разработчиков из Тель-Авивского университета, новая технология может стать основой для различных гибких электронных наноустройств, обладающих способностью к биоразложению.

Одна из проблем использования кремния в качестве полупроводника заключается в том, что кремниевый транзистор должен создаваться «сверху вниз». Производители берут лист кремния и фактически «вырезают» из него микрочип. Этот метод ограничивает возможности транзисторов, особенно в плане миниатюризации и гибкости. Таким образом, кремний стремительно устаревает. Новые транзисторы изготовлены не из традиционного хрупкого кремния, а из белков.

Ученые использовали последние достижения химии и биологии для создания идеального транзистора. Они изучали различные комбинации протеинов крови, молока и слизи с целью создания самоорганизующихся молекул, формирующих полупроводниковые пленки на наноуровне. В случае с белками крови, например, удалось получить пленки толщиной около 4 нанометров, что в 4,5 раза тоньше, чем при использовании современных кремниевых технологий.

С помощью белков трех различных видов можно создать полноценную электронную схему, обладающую уникальными возможностями. Например, белок крови имеет способность поглощать кислород, что позволяет производить полупроводники из определенных химических веществ.

В свою очередь, молочные протеины образуют волокна, формирующие структуру транзисторов, в то время как белки слизистой оболочки имеют возможность удерживать красный, зеленый и синий флуоресцентные красители. Таким образом схема может излучать белый свет, необходимый для продвинутой оптики.

В целом, природные особенности каждого белка дают исследователям возможность управлять свойствами органического транзистора: менять проводимость, память, флуоресценцию и т.д.[11]

Другая группа ученых в 2005 году предложила биотранзистор влажного типа, составленный из металлопротеинов. Металлопротеин имеет окислительно-восстановительную реакцию и естественную передачу электронов между молекулярным донором и акцептором. С тех пор биотранзисторы стали кандидатом для использования в биоэлектронике.

В 2006 году ученые из университета Огайо отслеживали изменение структуры молекулы хлорофилла, выделенного из растений шпината. Затем внесли в нее дополнительный электрон, и смогли создать биологический переключатель, способный принимать четыре различных положения — от полностью вытянутого до скрученного.

Рис.2.3 Схема бионанотранзистора: тёмно-серая сердцевина – кремниевый проводник, голубым цветом показан двойной липидный слой, фиолетовым – пептидные ионные каналы.

Авторы новой работы вдохновлялись мембранами клеток, обладающих виртуозными молекулярными механизмами для восприятия и передачи сигналов. В некоторых аспектах эти живые системы превосходят современную электронику. Американцы построили свой транзистор, покрыв кремниевую нанонить двойным липидным слоем. Он образовал непроницаемый барьер между нанопроводом и окружающим систему раствором.

В биологическую мембрану также встроили молекулы аламетицина. Эти пептиды образовали ионные каналы. Меняя напряжение на устройстве (на затворе), его создатели получили возможность влиять и на транспорт протонов через аламетициновые «ворота», открывая и закрывая эти поры в мембране по желанию, что, в свою очередь, влияло на ток через проводник.

Хотя ранее исследователи уже пробовали соединять живые системы с электронными (например, коммутируя нейроны и живые клетки с микросхемами), никто не осуществлял это в столь малом пространственном масштабе. Создатели бионаноэлектронного устройства полагают, что оно пригодится в биологических исследованиях, в построении медицинских биоэлектронных имплантатов и диагностических систем и т.п.[6]