Nöromorfik uygulamalar için hidrofobik olarak kapılı hatırlatıcı nanogözenekler

Biyoloji teknolojik ilerleme için çok derin bir ilham kaynağıdır. Motive olmak Yapay sinir ağlarının doğuşu, şu anda bilgisayar mimarilerinde farklı bir paradigma olan nöromorfik hesaplama için ek bir ilham kaynağı olarak hizmet ediyor.

Beyindeki sinyal iletimi, voltaj kapılı iyon kanallarına, hareketli parçalara sahip karmaşık makinelere ve karmaşık etkileşimlere dayanır. Bu tür iyon kanallarının sıfırdan tasarlanması zordur, ancak davranışları beynin düşük güçte çalışması için gerekli görünmektedir.

Elektronik açıdan bakıldığında beynin iyontronik bir rejimde çalıştığı, iyonların yük taşıyıcı görevi gördüğü söylenebilir. Sadece bu değil, iyon kanalları da öyle görünüyor Memristörlerin, hafızalı dirençlerin elektriksel davranışlarını sergiler.

Gerilim geçişi için allosterik bir mekanizmaya ve karmaşık hareketli parça ağına bağlı olmayan ve ayarlanabilecek ve tasarlanabilecek daha basit bir mekanizma bulmak için yola çıktık. Hidrofobik geçitlemenin bu mekanizma için güçlü bir aday olduğunu gördük.

Nanokabarcıklar ve voltaj

Hidrofobik geçit olarak adlandırılan, aralarındaki iletkenliği etkili bir şekilde bloke eden küçük hidrofobik nanogözeneklerdeki nanokabarcıkların oluşumunu inceledikten sonra, bu tür kapıların açılmasında rapor edilen etkiyle ilgilendik.

Moleküler dinamik simülasyonlarıyla desteklenen, voltajın hidrofobik nanogözeneklerin ıslanma dinamikleri üzerindeki etkisini tahmin edebilen bir teori geliştirdik. Bu çerçeveyi kullanarak, kuru (iletken olmayan) ve ıslak (iletken) durumlar arasındaki derin metastabilite nedeniyle hidrofobik nanogözeneklerin, alternatif bir voltaj sağlandığında histeretik bir davranışa sahip olacağını bulduk. Bu davranış memristörlerin ayırt edici özelliğidir.

Moleküler dinamik simülasyonları (a) ve nadir olay teknikleri (b), voltajın hidrofobik nanogözeneklerin ıslanma ve kuruma oranları (c) üzerindeki etkisini tahmin etmemizi sağladı. Bu da farklı frekanslardaki voltaj sinyallerinin etkisini simüle etmek ve hatırlama davranışını (d) keşfetmek için kullanıldı.

Biyo-ilham geri dönüyor

Bu simülasyonların rehberliğinde, saf hidrofobik geçitlemenin gerçekleşebileceği ilgi bölgesinin haritasını çıkarıyoruz. Biyolojik nanogözeneklerin ideal aday olduğu kanıtlanmıştır. Bunlar kısadır, 3 ila 10 nm uzunluğundadır, dardır ve çapları 1 nm’ye kadar düşebilmektedir; hedeflenen mutasyonlar gözeneklerin iletken rejimini değiştirebildiğinden son derece ayarlanabilirdir.

odaklandık Fragaceatoksin C (FraC), kullanılan bir gözenek tek moleküllü nanogözenek algılama ve moleküllerin yakalanması gibi farklı görevlerdeki performansını artırmak için kapsamlı bir şekilde mutasyona uğratılmıştır. Moleküler dinamik protokolümüzü, biri iki ek hidrofobik kalıntıya sahip olan mutasyona uğramış bir FraC gözeneğinde kullandık ve düşük pH’lı bir ortam düşünülürse nanokabarcığın mevcut olduğu durumun en muhtemel olduğunu, nötr pH için ise bu durumun geçerli olmadığını bulduk. var olmak.

Elektrofizyolojik deneyler de bunu doğruladı; tek gözenekli kayıt, iletken ve iletken olmayan durumlar arasında kendiliğinden geçiş olduğunu gösterdi. Bu bizi alternatif akım deneyleri yapmaya yöneltti ve bu da aslında beklenen hatırlama davranışını gösterdi.

Moleküler dinamik simülasyonları (a), mutasyona uğramış gözeneğin düşük ve nötr pH’ta (b) ıslanma istatistiklerini tahmin etmemizi sağladı. Elektrofizyolojik deneyler aslında gözeneğin düşük pH’ta (c) kapanacağını ve alternatif akım deneylerinin hatırlama davranışı (d) gösterdiğini gösterdi.

İyontronik hatırlama cihazı

Tek bir zarda birden fazla FraC kanalına sahip olarak, sinapsa benzer şekilde çalışan ve kısa süreli esnekliğe sahip bir cihazın prototipini oluşturmak mümkündür. Pozitif voltaj sinyalleri altında cihaz sırayla daha iletken hale gelir (öğrenme), negatif voltaj sinyalleri altında ise cihaz sırayla daha az iletken hale gelir (unutma).

Deney düzeneği, iki elektrolit çözeltisini ( a ) ayıran mutasyona uğramış FraC nano gözeneklerine sahip bir membrandan oluşuyordu. Uyarıcı (mavi) veya engelleyici (kırmızı) darbeler (b ve c) altında, cihazın iletkenliği sırasıyla (d ve e) artacak veya azalacaktır. Tahmini harcanan enerji çok küçüktü (f ve g)

Hala erken aşamalarında olmasına rağmen, hidrofobik geçitlemenin gelecekteki iyontronik uygulamalar için iyontronik anahtarlar ve hafızalı cihazlar için bir platform görevi görebileceğine inanıyoruz ve bu uygulamalar için kullanılabilecek katı hal alanında da aktif olarak yeni sistemler arıyoruz. .

Hidrofobik olarak geçişli, hafızalı nano-gözenek (HyMN) tabanlı bir cihazın önemli güçlü yönleri vardır: Enerji tasarrufludurlar, nanometre boyutundadırlar, hareketli parçaları yoktur, yüksek oranda tekrarlanabilir ve ekonomiktirler ve özelliklerine ince ayar yapmak için ileri teknolojiler mevcuttur.

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir