Опубликовано 28 октября 2024, 13:00
3 мин.
Модель полевого транзистора на основе одиночной углеродной нанотрубки с пришитыми флуоресцентными белками
© Kudriavtseva et al. / Advanced Electronic Materials, 2024.
Ученые разработали устройство на основе углеродной нанотрубки и светящегося белка, которое под действием света разных спектров меняет способность пропускать электричество. Так, под воздействием желтого и фиолетового света оно «тормозит» ток, а под влиянием остального видимого диапазона, наоборот, становится отличным проводником. Благодаря этим свойствам разработку можно будет использовать при создании светочувствительной молекулярной электроники, которая позволит обрабатывать большие объемы информации быстрее, чем обычные электронные устройства. Результаты исследования, поддержанного грантами №19-19-00401 и №20-73-10256 Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Advanced Electronic Materials.
Оптоэлектронные системы — это системы, использующие свет для управления движением зарядов. Так как в мире нет ничего быстрее света, такие системы занимают первое место по скорости передачи данных. Они позволяют повысить скорость и производительность работы бытовой, промышленной и медицинской электроники, а также усовершенствовать системы беспроводной связи. Однако оптоэлектронных материалов до сих пор создано не так много, поэтому их разработка востребована. В частности, перспективными считаются наносистемы на основе флуоресцентных белков — природных молекул, способных под действием света испускать собственное свечение в другом диапазоне длин волн. Так, если соединить флуоресцентный белок с материалом, проводящим ток — например, углеродной нанотрубкой, — с помощью света можно будет запускать поток заряженных частиц и таким образом передавать информацию.
Ученые из Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» (Москва), Сколковского института науки и технологий (Москва) и Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН (Москва) создали оптоэлектронный компонент на основе углеродной нанотрубки и красного флуоресцентного белка. Для этого к углеродной нанотрубке прикрепили молекулы флуоресцентного белка и изучили их поведение под действием электрического поля.
На полученное наноустройство авторы подавали свет разных длин волн, чтобы понять, как меняется способность элемента проводить электрический ток. Эксперименты показали, что, когда устройство освещали любыми длинами волн кроме 390 и 590 нанометров (что соответствует фиолетовой и желтой частям спектра), протекающий через него ток резко увеличивался. В этом случае на освещение положительно «реагировала» нанотрубка, проводящие свойства которой под действием света улучшились.
Если же устройство освещали лучами с длиной волны 390 или 590 нанометров, протекающий в нем ток плавно спадал, а значит, проводимость (фотоотклик) элемента оказывалась отрицательной. Такой эффект объясняется тем, что именно на этих длинах волн флуоресцентный белок поглощает освещение: он преобразует оптический сигнал (свет) в электрический, приводя к ослаблению тока. Таким образом, полученное исследователями устройство может воспринимать свет различных длин волн, при этом по-разному — положительно или отрицательно — реагируя на облучение. Это можно использовать в управляемых светом устройствах для передачи и хранения информации.
«На данный момент системы, состоящие как из электронных элементов, так и биологических объектов — таких как флуоресцентные белки — с точки зрения экологичности и низкой цены представляют особый интерес. Поэтому нашу разработку можно будет использовать для устройств молекулярной электроники, светоизлучающих диодов и оптических транзисторов. Преимущество инженерных белков заключается в возможности генетически запрограммировать их на чувствительность к конкретной длине волны в диапазоне видимого спектра. В дальнейшем мы планируем исследовать, насколько специфично наши структуры могут реагировать на заданную длину волны. Такое поведение может обеспечить ускорение процесса вычислений за счет распараллеливания на разных длинах волн», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Иван Бобринецкий, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института интегральной электроники имени академика К.А. Валиева Национального исследовательского университета «МИЭТ».
Автор: Indicator.Ru
Ученые разработали устройство на основе углеродной нанотрубки и светящегося белка, которое под действием света разных спектров меняет способность пропускать электричество. Так, под воздействием желтого и фиолетового света оно «тормозит» ток, а под влиянием остального видимого диапазона, наоборот, становится отличным проводником. Благодаря этим свойствам разработку можно будет использовать при создании светочувствительной молекулярной электроники, которая позволит обрабатывать большие объемы информации быстрее, чем обычные электронные устройства. Результаты исследования, поддержанного грантами №19-19-00401 и №20-73-10256 Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Advanced Electronic Materials.
Оптоэлектронные системы — это системы, использующие свет для управления движением зарядов. Так как в мире нет ничего быстрее света, такие системы занимают первое место по скорости передачи данных. Они позволяют повысить скорость и производительность работы бытовой, промышленной и медицинской электроники, а также усовершенствовать системы беспроводной связи. Однако оптоэлектронных материалов до сих пор создано не так много, поэтому их разработка востребована. В частности, перспективными считаются наносистемы на основе флуоресцентных белков — природных молекул, способных под действием света испускать собственное свечение в другом диапазоне длин волн. Так, если соединить флуоресцентный белок с материалом, проводящим ток — например, углеродной нанотрубкой, — с помощью света можно будет запускать поток заряженных частиц и таким образом передавать информацию.
Ученые из Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» (Москва), Сколковского института науки и технологий (Москва) и Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН (Москва) создали оптоэлектронный компонент на основе углеродной нанотрубки и красного флуоресцентного белка. Для этого к углеродной нанотрубке прикрепили молекулы флуоресцентного белка и изучили их поведение под действием электрического поля.
На полученное наноустройство авторы подавали свет разных длин волн, чтобы понять, как меняется способность элемента проводить электрический ток. Эксперименты показали, что, когда устройство освещали любыми длинами волн кроме 390 и 590 нанометров (что соответствует фиолетовой и желтой частям спектра), протекающий через него ток резко увеличивался. В этом случае на освещение положительно «реагировала» нанотрубка, проводящие свойства которой под действием света улучшились.
Если же устройство освещали лучами с длиной волны 390 или 590 нанометров, протекающий в нем ток плавно спадал, а значит, проводимость (фотоотклик) элемента оказывалась отрицательной. Такой эффект объясняется тем, что именно на этих длинах волн флуоресцентный белок поглощает освещение: он преобразует оптический сигнал (свет) в электрический, приводя к ослаблению тока. Таким образом, полученное исследователями устройство может воспринимать свет различных длин волн, при этом по-разному — положительно или отрицательно — реагируя на облучение. Это можно использовать в управляемых светом устройствах для передачи и хранения информации.
«На данный момент системы, состоящие как из электронных элементов, так и биологических объектов — таких как флуоресцентные белки — с точки зрения экологичности и низкой цены представляют особый интерес. Поэтому нашу разработку можно будет использовать для устройств молекулярной электроники, светоизлучающих диодов и оптических транзисторов. Преимущество инженерных белков заключается в возможности генетически запрограммировать их на чувствительность к конкретной длине волны в диапазоне видимого спектра. В дальнейшем мы планируем исследовать, насколько специфично наши структуры могут реагировать на заданную длину волны. Такое поведение может обеспечить ускорение процесса вычислений за счет распараллеливания на разных длинах волн», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Иван Бобринецкий, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института интегральной электроники имени академика К.А. Валиева Национального исследовательского университета «МИЭТ».