I transistor ibridi su scala microprocessore pongono le basi per l'integrazione della biologia e della microelettronica rispondendo anche all'ambiente
Negli ultimi anni, un maggiore controllo sulle formulazioni di proteine strutturali di derivazione naturale e sul loro autoassemblaggio ha consentito l’applicazione di tecniche di produzione ad alta risoluzione a materiali a base di seta, portando a interfacce bioattive con formati e funzionalità miniaturizzati senza precedenti. Il tuo telefono potrebbe avere più di 15 miliardi di minuscoli transistor racchiusi nei chip del microprocessore. 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 informazioni e memorizzarle. I materiali dei transistor sono inorganici, fondamentalmente derivati dalla roccia e dal metallo.
E se potessimo rendere questi componenti elettronici fondamentali in parte biologici, in grado di rispondere direttamente all’ambiente e di cambiare come un tessuto vivente?
Questo è ciò che ha fatto un team del Silklab della Tufts University (1) quando ha creato dei transistor sostituendo il materiale isolante con seta biologica. Hanno riportato i loro risultati in Advanced Materials (2).
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 modificarne le proprietà. La seta funzionalizzata in questo modo può captare e rilevare un’ampia gamma di componenti dal corpo o dall’ambiente.
La prima dimostrazione del team di un dispositivo prototipo ha utilizzato i transistor ibridi per realizzare un sensore del respiro altamente sensibile e ultraveloce, rilevando i cambiamenti di umidità. Ulteriori modifiche dello strato di seta potrebbero consentire ai dispositivi di rilevare alcune malattie cardiovascolari e polmonari, nonché l’apnea notturna, o di rilevare i livelli di anidride carbonica e altri gas e molecole nel respiro che potrebbero fornire informazioni diagnostiche. Utilizzati con il plasma sanguigno, potrebbero potenzialmente fornire informazioni sui livelli di ossigenazione e glucosio, sugli anticorpi circolanti e altro ancora.
Prima dello sviluppo dei transistor ibridi, il Silklab, guidato da Fiorenzo Omenetto (3), professore di ingegneria Frank C. Doble, aveva già utilizzato la fibroina per produrre inchiostri bioattivi per tessuti (4) in grado di rilevare cambiamenti nell'ambiente o sul corpo, rilevando i tatuaggi, che possono essere posizionati sotto la pelle o sui denti per monitorare la salute e la dieta, e sensori che possono essere stampati su qualsiasi superficie per rilevare agenti patogeni.
Come funziona
Un transistor è semplicemente un interruttore elettrico, con un cavo elettrico metallico che entra e un altro che esce. Tra i conduttori si trova il materiale semiconduttore, così chiamato perché non è in grado di condurre l'elettricità se non viene cablato.
Un'altra fonte di input elettrico chiamata gate è separata da tutto il resto da un isolante. Il gate funge da “chiave” per accendere e spegnere il transistor. Si attiva lo stato attivo quando una tensione di soglia, che chiameremo “1”, crea un campo elettrico attraverso l'isolante, innescando 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 l'umidità, agisce come un gel che trasporta tutti gli ioni (molecole caricate elettricamente) contenuti all'interno. Il cancello attiva lo stato attivo riorganizzando gli ioni nel gel di seta. Modificando la composizione ionica nella seta, cambia il funzionamento del transistor, consentendone l'attivazione da qualsiasi valore di gate compreso tra zero e uno.
Il dottor Beom Joon Kim (5), ricercatore post-dottorato presso la School of Engineering, afferma: «La sfida tecnica nella creazione di transistor biologici ibridi è stata quella di ottenere la lavorazione della seta su scala nanometrica, fino a 10 nm o meno di 1/10000th del diametro di un capello umano. Una volta raggiunto questo obiettivo, ora possiamo realizzare transistor ibridi con gli stessi processi di fabbricazione utilizzati per la produzione di chip commerciali, Ciò significa che puoi realizzarne un miliardo con le capacità disponibili oggi».
Avere miliardi di nodi transistor con connessioni riconfigurate da processi biologici nella seta potrebbe portare a microprocessori che potrebbero agire come le reti neurali utilizzate nell’intelligenza artificiale. «Guardando al futuro, si potrebbe immaginare di avere circuiti integrati che si addestrano da soli, rispondono ai segnali ambientali e registrano la memoria direttamente nei transistor invece di inviarla a dispositivi di archiviazione separati», ha affermato il dottor Omenetto.
Devono ancora essere creati dispositivi in grado di rilevare e rispondere a stati biologici più complessi, nonché calcoli analogici e neuromorfici su larga scala. Omenetto è ottimista per le opportunità future. «Ciò apre un nuovo modo di pensare all’interfaccia tra elettronica e biologia, con molte importanti scoperte e applicazioni fondamentali future».
Riferimenti:
(4) New Smart Fabrics with Bioactive Inks Monitor Body and Environment by Changing Color
(5) Beom Joon Kim
Descrizione foto: I transistor biologici ibridi modificano il loro comportamento elettronico in risposta ai gas e ad altre molecole nell'ambiente. - Credit: Fio Omenetto, Tufts University.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Hybrid Transistors with Silk Protein Set the Stage for Integration of Biology and Microelectronics