исследователей создают самособирающиеся логические схемы из белков
Трейси Пикет[email protected]
Райан Чичирян[email protected]
В ходе проверки концепции исследователи создали самособирающиеся схемы на основе белков, которые могут выполнять простые логические функции. Работа демонстрирует возможность создания стабильных цифровых схем, использующих преимущества свойств электрона в квантовых масштабах.
Одним из камней преткновения при создании молекулярных цепей является то, что по мере уменьшения размера цепей они становятся ненадежными. Это связано с тем, что электроны, необходимые для создания тока, ведут себя как волны, а не как частицы на квантовом уровне. Например, в цепи с двумя проводами, отстоящими друг от друга на один нанометр, электрон может «туннелировать» между двумя проводами и эффективно находиться в обоих местах одновременно, что затрудняет управление направлением тока. Молекулярные схемы могут смягчить эти проблемы, но одномолекулярные соединения недолговечны или малопродуктивны из-за проблем, связанных с изготовлением электродов такого масштаба.
«Наша цель состояла в том, чтобы попытаться создать молекулярную цепь, которая использует туннелирование в наших интересах, а не борется с ним», — говорит Райан Чиечи, доцент кафедры химии в Университете штата Северная Каролина и соавтор статьи, описывающей Работа.
Чиечи и соавтор Ксинкай Цю из Кембриджского университета построили схемы, сначала поместив два разных типа фуллереновых клеток на узорчатые золотые подложки. Затем они погрузили структуру в раствор фотосистемы номер один (PSI), обычно используемого белкового комплекса хлорофилла.
Различные фуллерены вызывают самосборку белков PSI на поверхности в определенных ориентациях, создавая диоды и резисторы после того, как верхние контакты жидкометаллической эвтектики галлий-индий, EGaIn, печатаются сверху. Этот процесс устраняет недостатки одномолекулярных соединений и сохраняет молекулярно-электронную функцию.
«Там, где нам нужны были резисторы, мы наносили один тип фуллерена на электроды, на которых самособирается PSI, а там, где нам нужны были диоды, мы наносили другой тип», — говорит Чиечи.
«Ориентированный PSI выпрямляет ток — это означает, что он позволяет электронам течь только в одном направлении. Управляя общей ориентацией в ансамблях PSI, мы можем определять, как через них проходит заряд».
Исследователи соединили самособирающиеся белковые ансамбли с искусственными электродами и создали простые логические схемы, которые использовали туннелирование электронов для модуляции тока.
«Эти белки рассеивают волновую функцию электронов, опосредуя туннелирование способами, которые до сих пор полностью не изучены», — говорит Чиечи. «В результате, несмотря на толщину 10 нанометров, эта схема работает на квантовом уровне, работая в туннельном режиме. И поскольку мы используем группу молекул, а не отдельные молекулы, структура стабильна. На самом деле мы можем печатать электроды поверх этих схем и создавать устройства».
Исследователи создали простые логические элементы И/ИЛИ на основе диодов из этих схем и включили их в импульсные модуляторы, которые могут кодировать информацию, включая или выключая один входной сигнал в зависимости от напряжения другого входа.
«Это экспериментальная элементарная логическая схема, основанная как на диодах, так и на резисторах, — говорит Чиечи. «Здесь мы показали, что с помощью белков можно создавать надежные интегральные схемы, работающие на высоких частотах.
«С точки зрения непосредственной полезности, эти схемы на основе белков могут привести к разработке электронных устройств, которые улучшат, заменят и/или расширят функциональность классических полупроводников».
Исследование появляется в Nature Communications . Соавторы Чиечи и Цю ранее работали в Университете Гронингена, Нидерланды.
-peake-
Примечание для редакторов: Далее следует реферат.
«Логические схемы для печати, содержащие самособирающиеся белковые комплексы»
DOI: 10.
Авторы : Ryan Chiechi, Университет штата Северная Каролина; Xinkai Qiu, Кембриджский университет, Великобритания
Опубликовано : 28 апреля 2022 г. в Nature Communications
Abstract:
печатные жидкометаллические электроды. Эти резисторы и диоды обладают температурно-независимым переносом заряда на расстояние примерно 10 нм и не требуют инкапсуляции или специального обращения. Функция белковых комплексов полностью определяется самосборкой. При самосборке в анизотропные монослои коллективное действие выровненных дипольных моментов увеличивает электропроводность ансамбля в одном направлении и уменьшает ее в другом. При самосборке в изотропные монослои дипольные моменты хаотичны, а электропроводность примерно одинакова в обоих направлениях. Мы демонстрируем надежность и полезность этих полностью белковых логических схем, создавая импульсные модуляторы на основе логических элементов И и ИЛИ, которые функционируют почти так же, как моделируемые схемы.
Посвящение самодельному чипу: самой популярной в мире интегральной схеме исполнилось 50 лет
Электроника Новости производителя
Самый успешный чип в истории электроники был создан одним человеком, работавшим в магазине в глухом переулке. Его звали Ганс Камензинд, микросхемой был таймер 555, и в этом году он отмечает свое 50-летие. Он пережил всех конкурентов, до сих пор производится в основном в том же дизайне и продается по всему миру миллиардными тиражами.
Модель 555 выстояла, потому что она удивительно универсальна и надежна. Он может измерять интервал от миллисекунды до часа или может генерировать поток импульсов с частотой, превышающей 1 МГц. Он может создавать звуковые сигналы и даже функционировать как логический вентиль. Я считаю его настолько важным, что, несмотря на его возраст, я посвятил ему две главы и несколько экспериментов в своей книге Make: Electronics.
Микросхема 555 со сквозным отверстием имеет размеры примерно 0,4″×0,3″. Версии для поверхностного монтажа имеют идентичные функции контактов. [Рисунок А] в настоящее время продается по 50 центов за штуку, в то время как на AliExpress обычные 555 стоят 10 за 1 доллар.
Происхождение
В конце 1960-х Камензинд задавался вопросом, как поместить АМ-радиоприемник на микросхему. Обычно в приемнике используются катушки индуктивности для различения частот вещания, но индуктивность сложно встроить в интегральную схему.
Он подумал, что кто-то где-то должен был создать настроенную схему, не требующую катушки индуктивности, поэтому он провел несколько дней в библиотеке Массачусетского технологического института в Бостоне, где наконец нашел ответ: статья 1935 года, описывающая почти забытую концепцию. называется фазовой автоподстройкой частоты. Это могло генерировать такую точную частоту, что он понял, что ее можно использовать для чего-то более интересного, чем радио. Это было бы идеально для генератора или таймера.
Он взял свою идею с собой, когда переехал с женой и детьми в район залива, чтобы присоединиться к Signetics, новой компании, которая пыталась конкурировать с Fairchild Semiconductor, лидером отрасли.
Но через два года Хансу стало не по себе из-за их «скучного» отношения. Он согласился на сокращение зарплаты, стал независимым консультантом, арендовал свою витрину и приступил к осуществлению своей мечты.
Он построил скамейки и полки из досок из магазина пиломатериалов, а так как его жена Пия была бухгалтером, она вела бухгалтерию. «У него была стипендия в размере 1200 долларов в месяц от Signetics, — вспоминает Пиа. «Мы сократили наши расходы до минимума. Мы никогда не ходили ужинать. Но я подумал — ему нужно это сделать».
Гансу было 36 лет, у него было четверо детей и 400 долларов в банке. Позже он назвал свое решение «безрассудным». Тем не менее, он придумал схему и макетировал ее, используя обычные транзисторы и резисторы. Затем он протестировал его, используя оборудование, предоставленное Signetics, и провел бесконечные итерации, меняя значения компонентов, потому что хотел, чтобы он работал даже тогда, когда производственный процесс содержал ошибки.
Усовершенствовав схему, он приступил к самой трудной части.
Для производства чипов требуется несколько фотографических масок, когда слои кремния частично стравлены. В 1971, единственным способом изготовления масок было разрезание их на пластиковую пленку, известную как рубилит, с помощью ножа X-Acto в масштабе примерно 400:1.
Даже в Intel гораздо более сложный 4004 (первый настоящий микропроцессор) был изготовлен из масок, вырезанных вручную, потому что компьютерного проектирования еще не существовало. Ганс провел много дней, сгорбившись над светлым столом, разрезая пластик и удаляя участки пинцетом.
The Launch
Самый первый 555. (Из коллекции фотографий Camenzind.) [Рис. B]Микрофотография самой первой пластины Signetics 555 показана на рисунке B
на следующей странице.
Чип имел немедленный успех, потому что работал так хорошо. Вы получите стабильные результаты, если запустите его от источника питания 5 В или 18 В. Точно так же это работало при управлении светодиодом 20 мА или при подаче 200 мА для небольшого двигателя.
«Недостаток встроенных компонентов – неточность», – писал Ганс позже. Но «какими бы ни были их вариации, все они меняются вместе, так как сделаны в одно и то же время и при одних и тех же условиях. Другими словами, они очень хорошо сочетаются. Я использовал эту функцию для создания нового генератора, который оказался чрезвычайно стабильным».
В течение года другие производители копировали дизайн. «Все воровали у всех, — вспоминал Ганс, — а в те дни никто не обращал внимания на патенты». На самом деле Signetics даже не подавала заявку на патент, опасаясь, что, если они попытаются обеспечить его соблюдение, они начнут войну с другими, более крупными компаниями. Сегодня любой может собрать копию таймера 555.
Наследие
555 сделали Ханса Камензинда авторитетом в области аналоговых интегральных схем.
К 2006 году он разработал 140 стандартных и нестандартных чипов. Он также написал две замечательные книги: «Проектирование аналоговых микросхем» и блестящее общее введение в электричество под названием «Много шума из почти ничего», в которое вошли миниатюры биографий всех пионеров. Обе книги по-прежнему доступны в Интернете через печать по запросу.
Модель 555, конечно же, приобрела легендарный статус. Вы даже можете купить комплект для создания собственной макромасштабной копии из отдельных компонентов.
Всплеск напряжения, который возникает, когда биполярный выход 555 становится высоким, может мешать другим компонентам. (Воспроизведено из книги «Создать: электроника» Чарльза Платта.) [Рисунок C]Микросхема имеет несколько хорошо задокументированных дефектов. Использование в нем биполярных транзисторов приводит к резким всплескам напряжения при переключении выходных сигналов (см. рис.
C), и он потребляет много энергии. Но версия CMOS исправила эти проблемы.
Ханс Камензинд умер в 2012 году в возрасте 78 лет. Сегодня витрина магазина, где он разработал таймер, занята брокером по недвижимости (см. рис.
D). Переулок показан стрелкой на изображении Мерфи-авеню на рисунке Е. Возможно, когда-нибудь Саннивейл удостоит Ханса мемориальной доской рядом с его старым рабочим местом, но пока его гений живет в десятках миллиардов чипов, содержащих копии его самодельных схема.
Местоположение переулка, ведущего к витрине. (Адаптировано из Google Street View.) [Рис. D] Автор благодарит семью Камензинд за их щедрую помощь, а также Джека Уорда из Музея транзисторов, где хранятся аудиофайлы Ганса Камензинда. лучевые трубки, которые он перепрофилировал в функциональные предметы искусства, такие как часы. Он лирично говорит о «радости векторного дисплея со светящимися люминофорами».
Но его самый известный проект — чип 555 макромасштаба. «Я нашел старую таблицу данных, в которой были указаны компоненты, включая номиналы резисторов», — говорит он. «Я построил копию из транзисторов и резисторов, и она заработала». (Схема показана на рисунке F
.)
Схема микросхемы таймера 555, опубликованная в оригинальном техническом описании Signetics. [Рисунок F]Большой 555 Эрика — красивая вещь, показанная на рисунке G
. Естественно, он показал его людям, в том числе Ленор Эдман и Уинделл Оскай, соучредителям Evil Mad Scientist Laboratories, которая продает продукцию для производителей. У Уинделла есть свой фетиш на старую электронику, такую как лампы Nixie, поэтому он и Ленор пришли к очевидному выводу: они могут продать большой 555 Эрика в комплекте.
Оригинальная версия большого таймера 555, созданная Эриком Шлепфером. [Рисунок G]Собранная версия показана на рисунке H
и продается здесь.
