DNA mang các hướng dẫn di truyền cho tất cả các sinh vật sống, nhưng nó cũng là một cách đặc biệt để lưu trữ thông tin. Chỉ một gram có thể chứa khoảng 215 triệu gigabyte dữ liệu.

Nếu mức độ lưu trữ đó có thể được khai thác trong thiết bị điện tử, nó có thể dẫn đến các trung tâm dữ liệu hiệu quả hơn nhiều, xử lý nhanh hơn và khả năng xử lý thông tin phức tạp hơn nhiều. Thách thức là làm cho một phân tử sinh học như DNA hoạt động trong các hệ thống điện tử. Các nhà nghiên cứu tại Penn State cho biết họ hiện đã tìm ra cách để kết nối cả hai.

Cách tiếp cận của nhóm, được báo cáo trong Advanced Functional Materials với đơn xin cấp bằng sáng chế đang được tiến hành, dựa trên hai thành phần chính. Một là DNA tổng hợp, được tạo ra từ các trình tự ngắn được thiết kế hóa học được thiết kế cho các chức năng điện tử cụ thể. Loại còn lại là perovskite tinh thể, một chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong pin mặt trời, laser và thiết bị lưu trữ dữ liệu.

"Sinh học và điện tử là những lĩnh vực khác nhau", Kavya S. Keremane, đồng tác giả và nhà nghiên cứu sau tiến sĩ về khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Penn State cho biết. "Cầu nối hai lĩnh vực này đòi hỏi phải phát triển một nền tảng vật liệu hoàn toàn mới cho phép chúng hoạt động liền mạch với nhau. Bằng cách kết hợp khả năng lưu trữ thông tin của DNA với các đặc tính điện tử đặc biệt của chất bán dẫn perovskite, chúng tôi đã tạo ra một hệ thống lai sinh học thay đổi cơ bản cách thiết kế các thiết bị bộ nhớ công suất thấp.

Memristor và máy tính giống như não

Các nhà nghiên cứu đã chế tạo một thiết bị được gọi là memristor, một loại điện trở bộ nhớ hoạt động với rất ít năng lượng. Điện trở truyền thống kiểm soát dòng điện nhưng mất thông tin được lưu trữ khi tắt nguồn. Memristor hoạt động khác nhau. Họ có thể lưu giữ thông tin và "nhớ" hướng của dòng điện trước đó ngay cả sau khi ngắt điện.

Các nhà nghiên cứu đã thiết kế DNA tổng hợp và tích hợp nó với vật liệu bán dẫn để tăng khả năng lưu trữ của các vật liệu tiên tiến. Ở đây, cấu trúc hai chiều bên trong của DNA tổng hợp có thể nhìn thấy thông qua kính hiển vi quang học. Tín dụng: Bed Poudel / Penn State

Các nhà nghiên cứu đã thiết kế DNA tổng hợp và tích hợp nó với vật liệu bán dẫn để tăng khả năng lưu trữ của các vật liệu tiên tiến. Ở đây, cấu trúc hai chiều bên trong của DNA tổng hợp có thể nhìn thấy thông qua kính hiển vi quang học. Tín dụng: Bed Poudel / Penn State

Bởi vì chúng có thể lưu trữ và xử lý thông tin ở cùng một nơi, memristor giống như cách các tế bào thần kinh hoạt động trong não. Điều này làm cho chúng hứa hẹn cho các hệ thống máy tính tiên tiến. Tuy nhiên, việc làm cho chúng trở nên thực tế là rất khó khăn vì giới hạn về dung lượng lưu trữ và hiệu quả sử dụng năng lượng. DNA giúp giải quyết cả hai vấn đề bằng cách đóng gói một lượng lớn dữ liệu vào một không gian rất nhỏ trong khi sử dụng năng lượng tối thiểu.

"Khi nhu cầu về trí tuệ nhân tạo (AI) tăng lên, chúng ta cần một chiến lược mới cho các thiết bị công suất thấp, lưu trữ cao", Bed Poudel, đồng tác giả và giáo sư nghiên cứu về khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Penn State cho biết. Poudel giải thích rằng AI và các công nghệ trong tương lai sẽ ngày càng phụ thuộc nhiều hơn vào điện toán thần kinh, tương tự như bộ não con người, có thể xem xét nhiều đầu vào cùng một lúc và đưa ra quyết định dựa trên kinh nghiệm trong quá khứ và các ưu tiên trong tương lai. "Thông thường, cần nhiều năng lượng hơn để lưu trữ nhiều thông tin hơn. Tuy nhiên, thiết bị của chúng tôi tiêu thụ điện năng ít hơn 100 lần và dung lượng lưu trữ cao hơn các thiết bị lưu trữ truyền thống, như ổ đĩa flash."

DNA kỹ thuật cho điện tử

Để tạo ra thiết bị, nhóm nghiên cứu đã thêm các hạt nano bạc vào các trình tự DNA được thiết kế đặc biệt và kết hợp chúng với các lớp perovskite mỏng. Kỹ thuật này, được gọi là pha tạp, được sử dụng để điều chỉnh các đặc tính của vật liệu. Trong trường hợp này, nó cho phép DNA dẫn điện và sắp xếp trong một cấu trúc có tổ chức hơn.

DNA tự nhiên tạo thành các sợi dài, rối rắm, gây khó khăn cho việc sử dụng trong các cấu trúc chính xác. Ngược lại, các đoạn DNA tổng hợp ngắn cứng và dễ kiểm soát hơn ở kích thước nano. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu chế tạo các vật liệu có trật tự cao với các đặc tính điện có thể điều chỉnh mà DNA tự nhiên không thể cung cấp trong màng mỏng.

"Chúng tôi có thể tính toán xác định chính xác trình tự nào chúng tôi cần và chúng nên dài bao lâu, và sau đó chúng tôi có thể thiết kế chúng một cách hợp lý với DNA tổng hợp", Yennawar nói. "Những cấu trúc này có thể được pha tạp một cách có hệ thống với bạc và các ion khác và được thiết kế để giao tiếp liền mạch với perovskite - biến đổi DNA từ một đại phân tử sinh học thành một nền tảng vật liệu nano đa chức năng, có thể lập trình."

Đột phá về hiệu suất và độ ổn định

Sự kết hợp của DNA được xử lý bằng bạc và perovskite tạo thành các kênh dẫn dòng điện hiệu quả. Khi các nhà nghiên cứu áp dụng ít hơn 0,1 volt (so với 120 volt trong ổ cắm tiêu chuẩn của Hoa Kỳ), các electron di chuyển đáng tin cậy qua thiết bị. Nó cũng phản ứng nhất quán khi hướng hiện tại thay đổi.

Thiết bị vẫn ổn định ở nhiệt độ gần 250 độ F (khoảng 121 độ C) và tiếp tục hoạt động ở nhiệt độ phòng trong hơn sáu tuần. Theo các nhà nghiên cứu, hiệu suất này vượt trội so với các thiết bị bộ nhớ dựa trên perovskite hiện tại. Nó cũng cung cấp khả năng bộ nhớ tương tự trong khi chỉ sử dụng một phần mười năng lượng, khiến nó trở thành một ứng cử viên sáng giá cho các thiết bị điện tử tiết kiệm năng lượng trong tương lai.

"Chỉ sử dụng DNA hoặc chỉ sử dụng perovskite không tạo ra kết quả mạnh mẽ như sự kết hợp", Keremane nói. "Chính sự kết hợp này cho phép mật độ lưu trữ bộ nhớ rất cao đòi hỏi rất ít năng lượng."

Nhóm nghiên cứu có kế hoạch tiếp tục tinh chỉnh công nghệ và khám phá những cách khác mà sinh học có thể truyền cảm hứng cho các loại thiết bị điện tử mới.

"Thiên nhiên có giải pháp - chúng ta chỉ cần tìm ra nó và áp dụng nó," Poudel nói. "Công việc tích hợp DNA vào thiết bị điện tử để làm những điều tuyệt vời này cho thấy những gì có thể."