Bóng bán dẫn chứa protein tơ tằm tạo điều kiện cho việc kết hợp giữa sinh học và vi điện tử

Một chiếc điện thoại có thể chứa đến hơn 15 tỷ bóng bán dẫn nhỏ được đặt trong các chip vi xử lý. Các bóng bán dẫn được làm bằng silicon, các kim loại như vàng và đồng, và các chất cách điện cùng nhau nhận và chuyển đổi dòng điện thành hệ nhị phân (1 và 0) để truyền và lưu trữ thông tin. Vật liệu bán dẫn là vật liệu vô cơ, có nguồn gốc từ đá và kim loại.


Ảnh: techxplore.com/

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu bạn có thể biến đổi những bộ phận điện tử cơ bản này trở thành một phần sinh học, có khả năng phản ứng trực tiếp với môi trường và thay đổi giống mô sống?

Đây là công trình mà đội ngũ của Silklab thuộc Trường Đại học Tufts thực hiện khi họ tạo ra bóng bán dẫn thay thế cho vật liệu cách điện bằng tơ sinh học. Kết quả nghiên cứu được công bố trên trang Advanced Materials.

Sợi fibroin - một loại protein cấu trúc nên sợi tơ có thể được đặt chính xác lên bề mặt và dễ dàng thay đổi với các phân tử sinh học và hóa học khác để thay đổi thuộc tính của nó. Tơ đóng vai trò nhận biết và phát hiện các thành phần từ cơ thể và môi trường.

Trong buổi giới thiệu đầu tiên, đội ngũ đã trình bày một thiết bị nguyên mẫu sử dụng các bóng bán dẫn lai có chứa sợi fibroin để tạo ra siêu cảm biến hơi thở cực nhanh và có độ nhạy cao trong việc phát hiện được những thay đổi về độ ẩm.

Các thay đổi của lớp tơ trong bóng bán dẫn cho phép các thiết bị phát hiện được một số bệnh về tim mạch và phổi, cũng như chứng ngưng thở khi ngủ, thu thập nồng độ CO2 cũng như các loại khí và phân tử có trong hơi thở làm dữ liệu chẩn đoán bệnh. Được sử dụng cùng với huyết tương, chúng có khả năng cung cấp thông tin về mức oxy hóa, glucose và kháng thể tuần hoàn,…

Trước khi phát triển, Silklab, dưới sự dẫn dắt của Giáo sư Fiorenzo Omenetto, đã từng sử dụng fibroin để tạo ra mực hoạt tính cho các loại vải có thể phát hiện ra những thay đổi trong môi trường và trên cơ thể. Những hình xăm cảm biến có thể được đặt dưới da hay trên răng để theo dõi sức khỏe và chế độ ăn. Những cảm biến này có thể được in trên bất kỳ bề mặt nào để phát hiện các mầm bệnh như vi-rút gây ra Covid-19.

Cách thức hoạt động

Bóng bán dẫn chỉ đơn giản là một công tắc điện, với một dây dẫn điện bằng kim loại đi vào và một dây dẫn khác đi ra. Ở giữa các dây dẫn là vật liệu bán dẫn, gọi như vậy vì nó không thể dẫn điện trừ khi chúng được quấn đồng trục.

Một nguồn đầu vào điện khác được gọi là cổng, được ngăn cách với các phần khác thông qua một vật cách điện. Cổng đóng vai trò như chiếc chìa khóa để bật và tắt bóng bán dẫn. Nó kích hoạt khi điện áp ngưỡng tạo ra một điện trường chạy qua vật cách điện, kích thích chuyển động của electron trong chất bán dẫn và bắt đầu dòng điện chạy qua dây dẫn.

Trong bóng bán dẫn lai sinh học, một lớp tơ được sử dụng làm vật liệu cách điện, khi nó hấp thụ khí ẩm, nó hoạt động giống như một loại gel mang bất kỳ ion nào (các phân tử tích điện) có trong đó. Cổng kích hoạt trạng thái bật bằng cách sắp xếp lại các ion trong gel tơ. Bằng cách thay đổi thành phần ion trong tơ, hoạt động của bóng bán dẫn sẽ thay đổi, cho phép nó được kích hoạt bởi bất kỳ cổng nào có giá trị 0 và 1.

Ông Omenetto cho biết: “Bạn có thể tưởng tượng việc tạo ra những mạch điện sử dụng thông tin không được biểu thị dưới dạng nhị phân được sử dụng trong điện toán kỹ thuật số, nhưng có thể xử lý nhiều dạng thông tin như trong điện toán tương đương, sự thay đổi được diễn ra thông qua việc thay đổi bên trong vật liệu cách điện bằng tơ”, “Điều này mở ra cơ hội mới cho việc đưa các yếu tố sinh học vào bên trong điện toán trong các bộ vi xử lý hiện đại”. Và dĩ nhiên, máy tính sinh học mạnh nhất là bộ não, nơi xử lý thông tin ở nhiều mức tín hiệu hóa học và điện khác nhau.

Thách thức về mặt kỹ thuật trong việc tạo ra bóng bán dẫn sinh học là đạt được quá trình xử lý tơ ở cấp độ nano, xuống còn 10 nm, ít hơn 1/10.000 đường kính tóc người.

Ông Beom Joon Kim cho biết: “Với thành tựu đã đạt được, hiện tại chúng tôi có thể tạo ra những bóng bán dẫn lai với cùng quy trình được sử dụng tại nhà máy sản xuất chip, điều này có nghĩa là bạn có thể tạo ra hàng tỷ bóng bán dẫn trong khả năng của mình”

Hàng tỉ điểm bóng bán dẫn với các kết nối được cấu hình lại thông qua quá trình sinh học ở trong sợi tơ có thể tạo ra các bộ vi xử lý hoạt động như mạng lưới thần kinh được sử dụng trong AI. Ông Omenetto cho biết: “Trong tương lai, chúng ta có thể tưởng tượng ra được các mạch điện hợp nhất với nhau, phản hồi các tính hiệu môi trường và ghi chép dữ liệu trực tiếp ở các bóng bán dẫn thay vì gửi những dữ liệu này đến bộ nhớ riêng biệt”.

Các thiết bị phát hiện và phản ứng lại với các trạng thái sinh học phức tạp hơn cũng như điện toán tương đương và điện toán thần kinh được tạo ra. Ông Omenetto rất lạc quan về tương lai đầy cơ hội này. Ông cho biết: “Điều này mở ra sáng kiến mới về mối liên hệ giữa điện tử và sinh học, với nhiều phát hiện và ứng dụng trong tương lai”.

Việt An
(Lược dịch)