В электрических устройствах, созданных человеком, начиная с лампы накаливания и кончая ноутбуком перенос информации осуществляется посредством электронов, или, чтобы быть совсем точным, потока электронов и «дырок» с открытием полупроводников и р-n-перехода.
Передача же сигналов внутри живых систем, тех же нервных импульсов или команд, регулирующих обмен веществ, осуществляется иначе — с помощью ионов (электрически заряженных атомов) и протонов (ядер атомов водорода, лишенных электрона — собственно, простейшей разновидности ионов).
Устройства, способные подключаться к живым сигнальным системам непосредственно и выполнять функции точных биосенсоров, биоконтролеров или бионических протезов, требуют создания и соответствующих адекватных интерфейсов, гарантирующих быстрое время отклика и минимальные потери информации, курсирующей между таким устройством и организмом.
Понятно, что современные биодатчики или нейропротезы с их чужеродными для клеток электрон-кремниевыми интерфейсами вряд ли смогут удовлетворять таким условиям в полной мере.
Поскольку никакой реальной альтернативы кремниевой микроэлектронике, достигшей больших успехов в обработке информации, пока никто не предложил (последний писк моды — «влажные» ДНК-процессоры — пока остается на уровне теории и первых экспериментов), идеальным вариантом стало бы создание прозрачного протон-электронного интерфейса, способного транслировать ионные сигналы в электронные и наоборот, а также биологически совместимого с живыми тканями.
Выше изображена схема первого протонного транзистора на биополимере: эммитер (source) и коллектор (drain) из гидрида палладия, мост из хитозана (желтая перемычка), изолятор-подложка (SiO2), база (gate). Справа -- макромолекулярные волокна модифицированного хитозана. Внизу -- молекулярная структура хитозана.
Статья, присланная в Nature Communications группой сотрудников Университета штата Вашингтон (США), возглавляемой профессором Марко Роланди, содержит описание и испытательные характеристики первого действующего прототипа подобного устройства — протонного полевого транзистора на основе биополимера.
Как и его электронный собрат, протонный полевой транзистор также состоит из трех базовых элементов — эмиттера зарядов, коллектора и базы. Размеры его также вполне микроскопические — 5 микронов в ширину, что примерно в 20 раз тоньше человеческого волоса. Однако носителями тока в нем являются уже не электроны, а протоны, при этом роль полупроводника играют модифицированные макромолекулы хитозана — аминосахарида, получаемого из панцирей ракообразных.
Роль эмиттера и коллектора протонов в устройстве выполняют два электрода (хотя точнее было бы сказать протода) из гидрида палладия — прозрачного для протонов металводородного соединения. Два контакты из гидрида палладия соединены биополимерным мостом из хитозана. Молекулярные волокна хитозана за счет абсорбции воды образуют множественные водородные связи, по которым благодаря механизму Гротгуса (см. справку) и мигрируют протоны.
При подаче напряжения на базу, изолированную от хитозана слоем оксида кремния, возникает электрическое поле и ток протонов в биополимере прекращается — мост работает в режиме Off. При отключении напряжения транзистор работает в режиме On.
Таким образом, управляя электрическим полем, можно управлять и потоком протонов между эмиттером и коллектором — аналогично тому, как это происходит в полевых транзисторах.
Как видим, протонный полевой транзистор на биополимере представляет собой кремнийорганический гибрид — устройство, сочетающее неорганические и органические материалы и выполняющее функции прозрачного протон-электронного интерфейса. Такой транзистор можно использовать для управления протонным током, при этом сигналом, управляющим каким-нибудь биопроцессом, использующим протонную сигнальную систему, будет электрический сигнал, что в отдаленной перспективе позволит синтезировать кремнийорганические, то есть бионические, системы управления.
Сейчас говорить о таких возможностях слишком рано: «креветочный» транзистор реализует самые базовые функции по управлению сигналами, и еще непонятно, можно ли эти функции сильно усложнить и, например, создать протонный аналог электронного p-n-транзистора, сделав бутерброд из биополимеров с разными проводными свойствами.
По заявлению ученых, именно в этом направлении — создании устройств, позволяющих электронике полноценно взаимодействовать с живой материей, — конструкторы первого протонного кремнийорганического транзистора и будут двигаться.
