Forschung Hybridtransistoren integrieren Biologie und Mikroelektronik

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Forscher entwickeln Transistoren in Mikroprozessorgröße, die biologische Zustände und die Umwelt erkennen und darauf reagieren können.

In den Mikroprozessorchips eines Handys könnten mehr als 15 Milliarden winzige Transistoren stecken. Die Transistoren bestehen aus Silizium, Metallen wie Gold und Kupfer und Isolatoren, die zusammen einen elektrischen Strom aufnehmen und in „1“ und „0“ umwandeln, um Informationen zu übertragen und zu speichern. Die Transistormaterialien sind anorganisch und werden hauptsächlich aus Gestein und Metall gewonnen.

Aber was wäre, wenn man diese Grundbausteine teilweise biologisch machen könnte, sodass sie direkt auf die Umwelt reagieren und sich wie lebendes Gewebe verändern?

Ein Team des Silklab der Tufts University hat genau das getan und Transistoren hergestellt, bei denen das Isoliermaterial durch biologische Seide ersetzt wurde. Sie berichteten über ihre Ergebnisse in 'Advanced Materials'.

Seidenfibroin - das Strukturprotein der Seidenfaser - lässt sich präzise auf Oberflächen aufbringen und leicht mit anderen chemischen und biologischen Molekülen modifizieren, um seine Eigenschaften zu verändern. So funktionalisierte Seide kann eine Vielzahl von Komponenten aus dem Körper oder der Umwelt aufnehmen und erkennen.

Bei der ersten Demonstration eines Prototyps verwendete das Team die Hybridtransistoren mit Seidenfibroin, um einen hochempfindlichen und ultraschnellen Atemsensor herzustellen, der Veränderungen der Luftfeuchtigkeit erkennt.

Weitere Modifikationen der Seidenschicht in den Transistoren könnten es ermöglichen, bestimmte Herz-Kreislauf- und Lungenkrankheiten sowie Schlafapnoe zu erkennen oder den Kohlendioxidgehalt und andere Gase und Moleküle im Atem zu messen, die diagnostische Informationen liefern könnten. In Verbindung mit Blutplasma könnten sie Informationen über den Sauerstoff- und Blutzuckerspiegel, zirkulierende Antikörper usw. liefern.

Bereits vor der Entwicklung der Hybridtransistoren hatte das Silklab unter der Leitung von Professor Fiorenzo Omenetto Fibroin verwendet, um bioaktive Tinten für Gewebe herzustellen, die Veränderungen in der Umwelt oder am Körper erkennen können - sensorische Tattoos, die unter der Haut oder auf den Zähnen angebracht werden können, um Gesundheit und Ernährung zu überwachen. Oder aber Sensoren, die sich auf jede Oberfläche drucken lassen, um Krankheitserreger wie das COVID-19-Virus, zu erkennen.

Wie es funktioniert

Ein Transistor ist einfach ein elektrischer Schalter mit zwei elektrischen Leitungen aus Metall. Zwischen den Leitungen befindet sich das Halbleitermaterial, das so genannt wird, weil es Elektrizität nur dann leiten kann, wenn man es dazu überredet.

Eine weiterer elektrischer Eingang, das so genannte Gate, ist durch einen Isolator vom Rest getrennt. Das Gate fungiert als „Schlüssel“ zum Ein- und Ausschalten des Transistors. Es löst den Ein-Zustand aus, wenn eine Schwellenspannung ein elektrisches Feld über dem Isolator erzeugt, das die Elektronenbewegung im Halbleiter in Gang setzt und damit den Stromfluss durch die Anschlüsse in Gang setzt.

In einem biologischen Hybridtransistor wird als Isolator eine Seidenschicht als verwendet, die sich bei der Aufnahme von Feuchtigkeit wie ein Gel verhält und die darin enthaltenen Ionen (elektrisch geladene Moleküle) mit sich führt. Das Gate löst den Ein-Zustand aus, indem es die Ionen im Seidengel neu anordnet. Durch die Veränderung der Ionenzusammensetzung in der Seide ändert sich die Funktionsweise des Transistors, sodass er durch jeden Gate-Wert zwischen Null und Eins ausgelöst werden kann.

„Man könnte sich vorstellen, Schaltkreise zu entwickeln, die Informationen nutzen, die nicht durch die diskreten binären Pegel dargestellt werden, die in der digitalen Datenverarbeitung Verwendung finden, sondern variable Informationen wie in der analogen Datenverarbeitung verarbeiten können, wobei die Variation durch die Änderung der Zusammensetzung des Seidenisolators verursacht wird“, so Omenetto.

„Damit eröffnet sich die Möglichkeit, die Biologie in moderne Mikroprozessoren zu integrieren. Der leistungsfähigste bekannte biologische Computer ist natürlich das Gehirn, das Informationen mit variablen Niveaus von chemischen und elektrischen Signalen verarbeitet.“

Die technische Herausforderung bei der Herstellung von biologischen Hybridtransistoren bestand darin, die Seidenverarbeitung im Nanobereich zu erreichen, d.h., bis zu 10 nm oder weniger als 1/10.000stel des Durchmessers eines menschlichen Haares. „Nachdem wir dies erreicht haben, können wir nun Hybridtransistoren mit denselben Herstellungsverfahren herstellen, die auch für die kommerzielle Chipfertigung verwendet werden“, so Beom Joon Kim, Postdoktorand an der School of Engineering. „Das bedeutet, dass man mit den heute verfügbaren Mitteln eine Milliarde davon herstellen kann.“

Milliarden von Transistorknoten mit Verbindungen, die durch biologische Prozesse in der Seide rekonfiguriert werden, könnten zu Mikroprozessoren führen, die wie die in der KI verwendeten neuronalen Netze funktionieren. „In Zukunft könnte man sich integrierte Schaltkreise vorstellen, die sich selbst trainieren, auf Umweltsignale reagieren und Erinnerungen direkt in den Transistoren aufzeichnen, anstatt sie an einen separaten Speicher zu senden“, so Omenetto.

Geräte, die komplexere biologische Zustände erkennen und darauf reagieren, sowie analoge und neuromorphe Computer in großem Maßstab müssen erst noch entwickelt werden. Omenetto ist optimistisch, was die zukünftigen Möglichkeiten angeht. „Dies eröffnet eine neue Denkweise über die Schnittstelle zwischen Elektronik und Biologie mit vielen wichtigen grundlegenden Entdeckungen und Anwendungen in der Zukunft.“

Tufts University

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(mbf)

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