DNA, der genetische Bauplan jedes Lebewesens, ist der effizienteste Speichermechanismus der Natur und kann etwa 215 Millionen Gigabyte Daten pro Gramm speichern. Diese Speicherkapazität könnte, angewendet auf Elektronik, deutlich effizientere Rechenzentren, eine schnellere Datenverarbeitung und die Verarbeitung wesentlich komplexerer Daten ermöglichen. Die Herausforderung für diesen Technologiesprung besteht darin, DNA, ein biologisches Material, mit Elektronik kompatibel zu machen. Einem Team von Forschern der Penn State University ist es gelungen, diese große Kompatibilitätslücke zu schließen.
Die in Advanced Functional Materials veröffentlichte und zur Patentanmeldung eingereichte Arbeit basiert laut den Forschern auf zwei Materialien: synthetischer DNA, also kommerziell erhältlichen, chemisch hergestellten Molekülen, die kurze genetische Sequenzen bilden, welche auf die Bedürfnisse elektronischer Geräte zugeschnitten sind; und einem Halbleitermaterial namens kristallinem Perowskit, das häufig in Solarzellen, Lasern und Datenspeichergeräten verwendet wird.
Die Forscher entwickelten einen Speicherwiderstand, einen sogenannten Memristor, der nur wenig Energie zum Betrieb benötigt. Herkömmliche Widerstände weisen in elektronischen Geräten – von Mobiltelefonen bis hin zu Raumfähren – einen festen Widerstand gegenüber dem Stromfluss auf, verlieren aber alle Informationen, sobald die Stromversorgung unterbrochen wird. Memristoren hingegen ermöglichen den Stromfluss auch nach dem Abschalten der Stromquelle und speichern die Richtung des vorherigen Stromflusses. Diese Fähigkeit, Daten am selben Ort zu speichern und zu verarbeiten, ahmt die Funktionsweise von Neuronen im Gehirn nach und ermöglicht potenziell eine simultane und umfassendere Datenverarbeitung. Die Forscher gaben jedoch an, dass dies nur mit ausreichend Speicherkapazität und Energie funktioniert – beides wäre ohne die Fähigkeit der DNA, Daten dicht zu packen und mit sehr geringem Energieverbrauch zu speichern, für eine kosteneffiziente kommerzielle Nutzung zu hoch.
„Mit der steigenden Nachfrage nach künstlicher Intelligenz (KI) benötigen wir eine neue Strategie für energieeffiziente Geräte mit hoher Speicherkapazität“, so Bed Poudel, Mitautor und Forschungsprofessor für Materialwissenschaften und Werkstofftechnik an der Penn State University. Poudel erklärte, dass KI und zukünftige Technologien zunehmend auf neuromorphes Computing setzen werden, das – ähnlich dem menschlichen Gehirn – mehrere Eingaben gleichzeitig verarbeiten und Entscheidungen auf Basis vergangener Erfahrungen und zukünftiger Prioritäten treffen kann. „Normalerweise benötigt man mehr Energie, um mehr Informationen zu speichern. Unser Gerät verbraucht jedoch 100-mal weniger Energie und bietet eine höhere Speicherkapazität als herkömmliche Speichermedien wie USB-Sticks.“
Zur Entwicklung des Geräts brachten die Forscher Silbernanopartikel auf eine Schicht maßgeschneiderter DNA-Sequenzen auf – speziell entwickelt hinsichtlich Zusammensetzung und Länge –, die in dünne Perowskitschichten integriert wurden. Dieses als „Dotierung“ bekannte Verfahren, bei dem kleine Nanopartikel auf ein anderes Material aufgebracht werden, ermöglicht es den Forschern, bestimmte Materialeigenschaften gezielt zu verändern. In diesem Fall wurde die DNA dadurch elektrisch leitfähig und ihre Bausteine ??wurden optimal ausgerichtet.
Anders als natürliche DNA – lange, verschlungene Stränge, die sich beim Anfassen wie nasse Spaghetti verhalten – ermöglichen kurze, starre synthetische DNA-Fragmente echte architektonische Präzision im Nanobereich. Molekular konstruierte DNA erreicht in Dünnschichten ein Maß an Strukturordnung, einstellbarer elektrischer Leitfähigkeit und funktioneller Kontrolle, das natürliche DNA nicht bieten kann, so Mitautorin Neela H. Yennawar, Forschungsprofessorin und Leiterin der Biomolecular Interactions Core Facility der Penn State Huck Institutes of the Life Sciences.
„Wir können rechnerisch exakt bestimmen, welche Sequenzen wir benötigen und wie lang sie sein sollten, und sie dann gezielt mit synthetischer DNA gestalten“, sagte Yennawar. „Diese Strukturen lassen sich systematisch mit Silber und anderen Ionen dotieren und so entwickeln, dass sie sich nahtlos mit Perowskiten verbinden – wodurch DNA von einem biologischen Makromolekül in eine programmierbare, multifunktionale Nanomaterialplattform verwandelt wird.“
Die mit Silbernanopartikeln dotierte DNA und Perowskit bildeten gemeinsam biohybride Kanäle, die den Stromfluss lenkten. Bereits bei einer Spannung von unter 0,1 Volt – zum Vergleich: Standardsteckdosen in den USA liefern 120 Volt – flossen Elektronen zuverlässig durch das Bauelement. Beim Umschalten des Stroms reagierte das Bauelement entsprechend. Dank der präzisen DNA-Zusammensetzung und der mit Perowskit verbundenen Strukturen funktionierte das Bauelement konstant bis zu einer Temperatur von fast 250 Grad Fahrenheit (ca. 121 Grad Celsius) und über sechs Wochen bei Raumtemperatur. Damit übertraf es die Leistungsstandards aktueller Perowskit-basierter Speichermedien deutlich, so die Forscher. Sie erklärten, dass ihr Bauelement dieselbe Speicherfunktion wie vergleichbare Technologien erfülle, aber nur ein Zehntel der Energie verbrauche. Dadurch eigne es sich wesentlich besser für energieeffiziente Elektronik der nächsten Generation.
„Die Verwendung von DNA oder Perowskit allein führte nicht annähernd zu einem so überzeugenden Ergebnis wie die Kombination“, sagte Keremane. „Erst diese Kombination ermöglicht eine sehr hohe Speicherdichte bei gleichzeitig sehr geringem Energiebedarf.“
Als nächstes planen die Forscher, ihren Ansatz zu verfeinern und weitere bioinspirierte elektronische Anwendungen zu untersuchen.
Credits:
Bed Poudel/Penn State
Journal
Advanced Functional Materials
