«Для устройств молекулярной электроники»: учёные создали вычислительный компонент на основе светящегося белка и углерода

Российские исследователи создали гибридный материал на основе углеродной нанотрубки и флуоресцентного белка, который способен менять свою проводимость в зависимости от длины волны падающего света. Эта разработка, представляющая собой молекулярный фоторезистор, открывает путь к созданию сверхбыстрых оптических вычислительных систем, способных обрабатывать данные на порядки быстрее современных кремниевых чипов.

Свет как дирижер: как биология и нанотехнологии объединились для создания нового типа памяти

В основе инновации лежит принцип фотоуправляемой проводимости. Ученые объединили два разнородных компонента: углеродную нанотрубку, выступающую в роли проводника, и молекулы красного флуоресцентного белка. Последние действуют как наноразмерные фотогенераторы: под воздействием света они высвобождают электроны, которые затем захватываются нанотрубкой, изменяя силу тока в цепи.

Спектральная избирательность: ключ к многозначной логике

Ключевое открытие, совершенное командой из МИЭТ, Сколтеха и ИБХ РАН, заключается в нелинейной реакции гибрида на разные участки спектра. Эксперименты показали, что облучение системы большинством цветов (синим, зеленым, красным) резко увеличивает электропроводность материала. Однако желтый и фиолетовый свет, напротив, вызывают устойчивое снижение тока — так называемый отрицательный фотоотклик. Это свойство позволяет использовать один элемент не просто как бинарный переключатель («вкл/выкл»), а как элемент многозначной логики, где каждому диапазону длин волн соответствует определенное состояние проводимости. Такая архитектура способна кардинально повысить плотность записи данных и скорость их обработки в оптоэлектронных устройствах.

От лабораторного прототипа до оптического транзистора

По словам профессора Ивана Бобринецкого, ведущего научного сотрудника Института интегральной электроники имени К.А. Валиева, главным преимуществом разработки является возможность генетической модификации белков. Инженерные белки можно «запрограммировать» на чувствительность к конкретной длине волны, что делает технологию гибкой и масштабируемой для различных задач — от создания оптических транзисторов до сверхчувствительных сенсоров и экологичных светоизлучающих диодов. В традиционной электронике управление током осуществляется напряжением на затворе транзистора. В новой парадигме роль затвора выполняет свет. Это позволяет отказаться от металлических проводников и снизить энергопотребление, поскольку фотоны переносят энергию без тепловых потерь, характерных для тока в проводах. Ранее попытки создать молекулярную электронику ограничивались низкой стабильностью органических компонентов и сложностью интеграции их с неорганическими полупроводниками. Нынешняя работа демонстрирует, что гибридные системы на основе белков и углеродных нанотрубок могут быть не только стабильны, но и обладать уникальными функциональными характеристиками, недостижимыми для классических материалов. Если удастся решить проблему массового производства таких структур, человечество получит основу для компьютеров, работающих на скорости света.