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(noticias nanowerk) Los chips de microprocesador de su teléfono pueden contener más de 15 mil millones de pequeños transistores. Los transistores están hechos de silicio, metales como el oro y el cobre y aisladores, que en conjunto toman una corriente eléctrica y la convierten en unos y ceros para transmitir y almacenar información. Los materiales de los transistores son inorgánicos y se obtienen esencialmente de roca y metal.
Pero ¿qué pasaría si se pudiera hacer que estos componentes electrónicos básicos fueran parcialmente biológicos, de modo que pudieran responder directamente al medio ambiente y cambiar como tejido vivo?
Esto es lo que hizo un equipo del Silklab de la Universidad de Tufts cuando desarrollaron transistores que reemplazaron el material aislante con seda biológica. Informaron sus resultados en Materiales avanzados (“Mecanismo de activación bimodal en transistores híbridos de película delgada basados en interfaces de biopolímeros a nanoescala reconfigurables dinámicamente”).
La fibroína de seda (la proteína estructural de las fibras de seda) puede depositarse con precisión en las superficies y modificarse fácilmente con otras moléculas químicas y biológicas para alterar sus propiedades. La seda funcionalizada de esta manera puede absorber y reconocer una variedad de componentes del cuerpo o del medio ambiente.
En la primera demostración de un prototipo por parte del equipo, los transistores híbridos se utilizaron para crear un sensor respiratorio ultrarrápido y altamente sensible que detecta cambios en la humedad. Modificaciones adicionales a la capa de seda podrían permitir que los dispositivos detecten algunas enfermedades cardiovasculares y pulmonares, así como la apnea del sueño, o detecten niveles de dióxido de carbono y otros gases y moléculas en el aliento que podrían proporcionar información de diagnóstico. Combinados con plasma sanguíneo, podrían proporcionar información sobre los niveles de oxígeno y glucosa, anticuerpos circulantes y más.
Antes de desarrollar los transistores híbridos, Silklab, dirigido por Fiorenzo Omenetto, profesor de ingeniería Frank C. Doble, ya había utilizado fibroína para crear tintas bioactivas para tejidos que pueden detectar cambios en el medio ambiente o en el cuerpo y detectar tatuajes que se pueden colocar debajo. la piel o los dientes para controlar la salud y la nutrición, y sensores que se pueden imprimir en cualquier superficie para detectar patógenos como el virus responsable del COVID19.
Cómo funciona
Un transistor es simplemente un interruptor eléctrico en el que entra un conductor eléctrico metálico y sale otro. Entre las líneas se encuentra el material semiconductor, llamado así porque no puede conducir la electricidad sin persuasión.
Otra fuente de entrada eléctrica, llamada puerta, está separada de todo lo demás por un aislante. La puerta actúa como una «llave» para encender y apagar el transistor. Activa el estado encendido cuando un voltaje umbral, que llamamos «1», crea un campo eléctrico a través del aislante, estimulando el movimiento de los electrones en el semiconductor y haciendo que la corriente fluya a través de las líneas.
En un transistor híbrido biológico, se utiliza una capa de seda como aislante. Cuando absorbe humedad, actúa como un gel, transportando todos los iones (moléculas cargadas eléctricamente) que contiene. La puerta activa el estado activado reorganizando los iones en el gel de seda. Al cambiar la composición iónica de la seda, el funcionamiento del transistor cambia para que pueda activarse mediante cualquier valor de puerta entre cero y uno.
«Se podría imaginar la creación de circuitos que utilicen información que no está representada por los niveles binarios discretos utilizados en la computación digital, pero que puedan procesar información variable como en la computación analógica, con variación causada por el cambio del interior del aislante de seda», dijo Omenetto. «Esto abre la posibilidad de introducir la biología en el procesamiento de datos en microprocesadores modernos», dijo Omenetto. Por supuesto, la computadora biológica más poderosa que se conoce es el cerebro, que procesa información utilizando diversas señales químicas y eléctricas.
El desafío técnico en el desarrollo de transistores biológicos híbridos fue lograr un procesamiento de seda a nanoescala de hasta 10 nm, o menos de 1/10.000 del diámetro de un cabello humano. «Habiendo logrado esto, ahora podemos producir transistores híbridos utilizando los mismos procesos de fabricación utilizados para la fabricación de chips comerciales», dijo Beom Joon Kim, investigador postdoctoral en la Escuela de Ingeniería. «Eso significa que puedes fabricar mil millones de ellos con las capacidades disponibles hoy».
Miles de millones de nodos de transistores con conexiones reconfiguradas mediante procesos biológicos en la seda podrían dar lugar a microprocesadores que podrían funcionar como las redes neuronales utilizadas en la IA. «De cara al futuro, uno podría imaginar circuitos integrados que se entrenen a sí mismos, respondan a señales ambientales y registren la memoria directamente en los transistores en lugar de enviarla a una memoria separada», dijo Omenetto.
Aún es necesario desarrollar dispositivos para detectar y responder a condiciones biológicas más complejas, así como cálculos analógicos y neuromórficos a gran escala. Omenetto se muestra optimista sobre las oportunidades futuras. «Esto abre una nueva forma de pensar sobre la interfaz entre la electrónica y la biología, con muchos descubrimientos y aplicaciones fundamentales importantes».
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