محققان نشان دادند که با ترکیب پروتئین و فولرین می‌توان مدارهای منطقی ایجاد کرد که اشکالات مدارهای مولکولی نانومقیاس فعلی را نداشته باشد.
در یک پروژه تحقیقاتی در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، محققان مدارهای خودآرایی شده مبتنی بر پروتئین ایجاد کردند که می‌توانند عملکردهای منطقی ساده‌ای را انجام دهند. این کار نشان می‌دهد که می‌توان مدارهای دیجیتالی پایداری ایجاد کرد که از خواص الکترون در مقیاس‌های کوانتومی استفاده کنند.
یکی از موانع در ایجاد مدارهای مولکولی این است که با کاهش اندازه مدار، مدارها غیرقابل اعتماد می‌شوند. این مشکل به این دلیل است که الکترون‌های مورد نیاز برای ایجاد جریان در مقیاس کوانتومی مانند امواج و نه ذرات رفتار می‌کنند. به عنوان مثال، در مداری با دو سیم که یک نانومتر از هم فاصله دارند، الکترون می‌تواند بین دو سیم تونل بزند و به طور موثر در هر دو مکان به طور همزمان باشد و کنترل جهت جریان را دشوار کند. مدارهای مولکولی می‌توانند این مشکلات را کاهش دهند، اما اتصالات تک مولکولی به دلیل چالش‌های مرتبط با ساخت الکترودها در آن مقیاس، عمر کوتاه یا کم بازدهی دارند.
رایان چیچی، دانشیار شیمی در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی و از نویسندگان این مقاله می‌گوید: «هدف ما تلاش برای ایجاد یک مدار مولکولی بود که از تونل زدن به نفع ما، نه برعلیه ما، استفاده می‌کند.»
رایان چیچی و زینکای کیو از دانشگاه کمبریج، مدارها را با قرار دادن دو نوع مختلف قفس فولرن روی زیرلایه‌های طلای طرح‌دار ساختند. آنها سپس این ساختار را در محلولی از فتوسیستم یک (PSI)، یک کمپلکس پروتئینی کلروفیل نوع ۲ که به صورت رایج مورد استفاده قرار می گیرد، غوطه‌ور کردند. فولرن‌های مختلف پروتئین‌های PSI را وادار می‌کنند تا در جهت‌های خاص روی سطح جمع شوند و زمانی که فلز مایع گالیوم-ایندیوم یوتکتیک، EGaIn، روی سطح چاپ می‌شود، دیودها و مقاومت‌هایی را ایجاد می‌کنند. این فرآیند هم اشکالات اتصالات تک مولکولی را برطرف می کند و هم عملکرد مولکولی-الکترونیکی را حفظ می‌کند.
چیچی می‌گوید: «در جاهایی که مقاومت می‌خواستیم، یک نوع فولرن را روی الکترودهایی که PSI روی آنها خود خودآرایی می‌دهد الگودهی می‌کردیم، و در جایی که دیود می‌خواستیم، نوع دیگری را الگودهی می‌کردیم. PSI جهت دار، جریان را اصلاح می‌کند، به این معنی که فقط به الکترون‌ها اجازه می‌دهد در یک جهت جریان داشته باشند. با کنترل جهت‌گیری در مجموعه‌های PSI، می‌توانیم نحوه عبور بار از آنها را دیکته کنیم.»
محققان کمپلکس‌‌های پروتئینی خودآرا را با الکترودهایی که در آزمایشگاه ساختند، جفت کردند و مدارهای منطقی ساده‌ای ساختند که از رفتار تونل زنی الکترون برای تعدیل جریان استفاده می‌کرد. چیچی می‌گوید: «این پروتئین‌ها موج الکترونی را پراکنده می‌کنند و تونل‌سازی را به روش‌هایی که هنوز به طور کامل درک نشده‌اند، مدیریت می‌کنند. نتیجه این است که علیرغم ضخامت ۱۰ نانومتری، این مدار در سطح کوانتومی عمل می‌کند. از انجایی که به جای مولکول‌های منفرد، ما از گروهی از مولکول ها استفاده می‌کنیم، این ساختار پایدار است. ما در واقع می‌توانیم الکترودها را چاپ کنیم.»
محققان گیت‌های منطقی AND/OR ساده مبتنی بر دیود را از این مدارها ایجاد کردند و آنها را در تعدیل‌کننده‌های پالس گنجانیدند، که می‌توانند با روشن یا خاموش کردن یک سیگنال ورودی بسته به ولتاژ ورودی دیگر، اطلاعات را رمزگذاری کنند. مدارهای منطقی مبتنی بر PSI قادر به سوئیچ کردن یک سیگنال ورودی ۳٫۳ کیلوهرتز بودند که اگرچه از نظر سرعت با مدارهای منطقی مدرن قابل مقایسه نیست، اما یکی از سریع‌ترین مدارهای منطق مولکولی است که تاکنون گزارش شده است.
چیچی می گوید: «این یک مدار منطقی ابتدایی است که هم بر دیودها و هم بر مقاومت‌ها متکی است. ما در اینجا نشان داده‌ایم که می‌توانید مدارهای یکپارچه و قوی بسازید که در فرکانس‌های بالا با پروتئین‌ها کار می‌کنند.»
از نظر کاربرد فوری، این مدارهای مبتنی بر پروتئین می‌توانند به توسعه دستگاه‌های الکترونیکی منجر شوند که عملکرد نیمه هادی‌های کلاسیک را تقویت کرده یا جایگزین آنها می‌شوند.
نتایج این تحقیق در Nature Communications به چاپ رسیده است.