Cum poate fi transformat ADN-ul într-un dispozitiv de stocare a datelor care consumă de 100 de ori mai puțină energie

ADN sintetic a ajuns într-un dispozitiv de stocare a datelor cu un consum de energie remarcabil de redus — o combinație care ar putea contribui la redefinirea viitorului calculului bazat pe inteligența artificială. Studiul nu demonstrează codificarea fișierelor în secvențe ADN. ADN-ul sintetic este folosit ca material funcțional într-un memristor biohibrid cu perovskit, ale cărui tensiuni de comutare au coborât sub 0,1 V.

ADN-ul servește drept plan genetic pentru fiecare organism viu, dar este și o modalitate extrem de densă de a stoca informație. Un singur gram poate păstra aproximativ 215 milioane de gigabți de date. Această valoare descrie capacitatea ADN-ului ca mediu molecular de stocare și nu capacitatea măsurată în gigabytes a memristorului realizat de echipă.

Mutarea acestei capacități remarcabile în domeniul electronic ar putea duce la centre de date mai eficiente, la o procesare mai rapidă și la sisteme capabile să gestioneze informații din ce în ce mai complexe.

Provocarea a constat în a face ADN-ul biologic să funcționeze eficient alături de materialele electronice. Cercetătorii de la Penn State au dezvoltat acum o abordare menită să depășească această incompatibilitate.

Lucrarea, publicată în revista de specialitate Advanced Functional Materials și care face obiectul unei cereri de brevet, se sprijină pe două componente esențiale. Una este ADN-ul sintetic, realizat din molecule disponibile în comerț, create prin inginerie chimică și aranjate în secvențe genetice scurte, adaptate unor cerințe electronice specifice. Cealaltă este perovskita cristalină, un semiconductor folosit deja în tehnologii precum celulele solare, laserele și dispozitivele de stocare a datelor.

„Biologia și electronica sunt domenii diferite. Conectarea acestor două domenii a necesitat dezvoltarea unei platforme de materiale complet noi, care să le permită să funcționeze perfect împreună. Prin combinarea capacităților de stocare a informațiilor ale ADN-ului cu proprietățile electronice excepționale ale semiconductorilor din perovskit, am creat un sistem biohibrid care schimbă fundamental modul în care pot fi proiectate dispozitivele de memorie cu consum redus de energie.”, a declarat Kavya S. Keremane, coautor corespondent și cercetător postdoctoral în știința și ingineria materialelor la Penn State.

Un memristor care păstrează urma curentului după oprirea alimentării

Folosind aceste materiale, echipa a construit un rezistor de memorie — un „memristor” — care funcționează cu foarte puțină energie.

Un rezistor obișnuit nu funcționează ca element de memorie. Într-un memristor non-volatil, starea de rezistență depinde de istoricul tensiunii sau al curentului aplicat și poate rămâne păstrată după întreruperea alimentării. Memristoarele, în schimb, pot păstra o înregistrare a activității electrice anterioare: rețin direcția în care a circulat curentul, chiar și după ce sursa de alimentare este îndepărtată.

Această capacitate permite stocarea și procesarea informației în același loc, asemănător modului în care funcționează neuronii din creier. O astfel de configurație ar putea susține forme mai simultane și mai sofisticate de procesare a datelor.

Potrivit cercetătorilor, sistemele comerciale practice ar avea însă nevoie în continuare de o capacitate de stocare și de o putere electrică suficiente, ceea ce le-ar face costisitoare și ineficiente fără capacitatea ADN-ului de a comprima cantități enorme de informație într-un spațiu foarte mic, consumând în același timp puțină energie.

„Pe măsură ce crește cererea pentru inteligența artificială (IA), avem nevoie de o nouă strategie pentru dispozitive cu consum redus de energie și capacitate mare de stocare”, a declarat Bed Poudel, coautor corespondent și profesor de cercetare în știința și ingineria materialelor la Penn State.

Poudel a afirmat că IA și alte tehnologii emergente se preconizează că vor depinde din ce în ce mai mult de calculul neuromorf, conceput să funcționeze mai degrabă ca creierul uman. Astfel de sisteme pot evalua simultan mai multe date de intrare, luând decizii bazate pe experiențele anterioare și pe prioritățile viitoare.

„De obicei, este nevoie de mai multă energie pentru a stoca mai multe informații. Dispozitivul nostru, însă, consumă de 100 de ori mai puțină energie, iar capacitatea de stocare este mai mare decât a dispozitivelor tradiționale, cum ar fi unitățile flash.”, a mai spus prof Poudel.

Nanoparticulele de argint fac ADN-ul să conducă electricitatea

Pentru a construi dispozitivul, cercetătorii au adăugat nanoparticule de argint la un strat de secvențe de ADN personalizate — proiectate special pentru a avea anumite compoziții și lungimi — care a fost apoi integrat cu filme subțiri de perovskit.

Tehnica, numită „dopare”, presupune introducerea unei cantități mici dintr-un alt material pentru a obține proprietăți specifice. În acest caz, adăugarea nanoparticulelor de argint a permis ADN-ului să conducă electricitatea și a contribuit, în același timp, la alinierea unităților sale moleculare într-o dispunere mai ordonată.

ADN-ul sintetic a oferit un alt avantaj important față de cel natural. Catenele naturale sunt lungi și încâlcite și se comportă ca spaghetele ude atunci când sunt manipulate; bucățile scurte și rigide de ADN sintetic pot fi aranjate cu o precizie mult mai mare, la scări extrem de mici.

Potrivit coautoarei Neela H. Yennawar, profesor de cercetare și directoare a Centrului de Interacțiuni Biomoleculare din cadrul Institutelor Huck de Științe ale Vieții de la Penn State, ADN-ul proiectat la nivel molecular poate oferi o organizare structurală, o conductivitate electrică reglabilă și un control funcțional pe care ADN-ul natural nu le poate atinge atunci când este încorporat în filme subțiri.

„Putem determina prin calcul exact de ce secvențe avem nevoie și cât de lungi ar trebui să fie, iar apoi le putem proiecta rațional folosind ADN-ul sintetic. Aceste structuri pot fi dopate sistematic cu argint și alți ioni și proiectate pentru a interacționa perfect cu perovskitele – transformând ADN-ul dintr-o macromoleculă biologică într-o platformă de nanomateriale programabilă și multifuncțională.”, a spus Yennawar.

ADN-ul și perovskitul funcționează mai bine împreună

Combinate, ADN-ul dopat cu argint și perovskitul au format căi biohibride care au dirijat fluxul de curent electric prin dispozitiv.

Cercetătorii au descoperit că electronii se deplasau în mod fiabil la o tensiune aplicată mai mică de 0,1 volți — pentru comparație, prizele standard din Statele Unite au 120 de volți — iar dispozitivul răspundea previzibil atunci când se schimba direcția curentului.

Structurile de ADN proiectate cu atenție, combinate cu perovskitul, au contribuit și la stabilitatea ieșită din comun a dispozitivului. Potrivit echipei, acesta a continuat să funcționeze constant la temperaturi apropiate de 121 de grade Celsius și a rămas funcțional la temperatura camerei timp de peste 6 săptămâni, depășind substanțial standardele de performanță ale dispozitivelor de stocare a memoriei existente pe bază de perovskit. În lucrare, retenția raportată depășește 4 × 10³ secunde, iar anduranța ajunge la 10³ cicluri; intervalul de peste 6 săptămâni descrie stabilitatea dispozitivului în condiții ambientale.

Cercetătorii au raportat, de asemenea, că noul sistem ar putea îndeplini aceeași funcție de memorie ca tehnologiile comparabile, consumând însă doar o sutime din energie. Acest nivel de eficiență ar putea face abordarea deosebit de atractivă pentru viitoarele dispozitive electronice concepute să gestioneze cantități mari de informație cu un consum energetic redus.

„Utilizarea doar a ADN-ului sau doar a perovskitei nu a produs un rezultat nici pe departe la fel de robust ca și combinația. Această combinație este cea care permite o densitate foarte mare de stocare a memoriei, care necesită foarte puțină energie.”, a spus Keremane.

O direcție nouă pentru electronica bioinspirată

Echipa intenționează acum să îmbunătățească tehnologia și să exploreze utilizări suplimentare pentru sistemele electronice bioinspirate.

„Natura are soluția – trebuie doar să o găsim și să o aplicăm. Această muncă de integrare a ADN-ului în electronică pentru a realiza lucruri uimitoare ne oferă o idee despre ceea ce este posibil.”, a spus Poudel.

În forma publicată, rezultatul rămâne o demonstrație experimentală pe dispozitive și matrice de memristoare, nu un sistem comercial de stocare a datelor.

Merită să știe și alții asta?

Votează dacă ți-a plăcut articolul.

DA NU