Puntos clave
- Investigadores de Penn State combinaron ADN sintético y perovskita para crear un dispositivo de memoria bio-híbrido.
- Este nuevo memristor almacena y procesa datos de forma simultánea, de manera parecida a como funcionan las neuronas del cerebro.
- El dispositivo consume diez veces menos energía que la tecnología actual de almacenamiento de memoria.
Científicos de Penn State lograron un avance en electrónica al conectar ADN con dispositivos electrónicos. El ADN puede almacenar cerca de 215 millones de gigabytes de datos por gramo, lo que lo convierte en el mejor dispositivo de almacenamiento de la naturaleza. El desarrollo podría transformar los centros de datos y las velocidades de procesamiento aprovechando esa capacidad.
La investigación, publicada en Advanced Functional Materials, usa dos materiales clave: ADN sintético diseñado para aplicaciones electrónicas y perovskita cristalina, un semiconductor que se ocupa en celdas solares y dispositivos de almacenamiento de datos.
¿Por qué mezclar biología con semiconductores?
"La biología y la electrónica son dominios distintos", señaló Kavya S. Keremane, coautora correspondiente e investigadora postdoctoral en ciencia e ingeniería de materiales en Penn State.
"Tender un puente entre estos dos campos exigió desarrollar una plataforma de materiales completamente nueva que les permitiera funcionar juntos sin fricción. Al combinar la capacidad de almacenamiento de información del ADN con las propiedades electrónicas excepcionales de los semiconductores de perovskita, creamos un sistema bio-híbrido que cambia de raíz cómo se pueden diseñar los dispositivos de memoria de bajo consumo."
Los investigadores construyeron una resistencia de memoria de baja energía, o memristor. A diferencia de las resistencias convencionales, que pierden los datos al cortarse la alimentación, los memristores pueden retener información y procesar datos al mismo tiempo, de forma similar a las neuronas del cerebro. Al aprovechar la densidad de almacenamiento del ADN, el equipo abrió camino a aplicaciones comerciales que podrían transformar la industria electrónica.
¿Cuánta energía ahorra realmente?
Bed Poudel, coautor correspondiente y profesor investigador de ciencia e ingeniería de materiales, explicó que la IA y las tecnologías futuras van a apoyarse cada vez más en computación neuromórfica, capaz de considerar múltiples entradas a la vez y tomar decisiones basadas en experiencias pasadas y prioridades futuras, tal como lo hace el cerebro humano.
Según Poudel: "Habitualmente, almacenar más información requiere más energía. Nuestro dispositivo, en cambio, consume 100 veces menos energía y su capacidad de almacenamiento es mayor que la de dispositivos tradicionales como las memorias flash."
Vale la pena consignar que las cifras que entrega el propio equipo no coinciden entre sí: los puntos clave del trabajo hablan de una décima parte del consumo frente a la tecnología de memoria actual, mientras la declaración de Poudel apunta a cien veces menos. La diferencia probablemente responde a distintos puntos de comparación, y es una señal de que estas mediciones todavía están lejos de una especificación de producto.
Cómo está construido
Para fabricar el dispositivo, los investigadores recubrieron secuencias de ADN a medida con nanopartículas de plata y las combinaron con películas delgadas de perovskita. Ese proceso, conocido como dopaje, le permitió al ADN conducir electricidad y alinear sus componentes de manera más eficiente.
A diferencia del ADN natural, que está enmarañado, el ADN sintético corto y rígido permite ingeniería precisa a escala nanométrica. Ese ADN diseñado ofrece estructura y conductividad controladas, y supera al ADN natural en películas delgadas.
Los investigadores pueden diseñar secuencias sintéticas precisas según lo que necesiten, ajustando largo y composición. Luego dopan esas estructuras de manera sistemática con plata y otros iones, lo que les permite acoplarse sin fricción con las perovskitas y convierte al ADN en una plataforma programable para nanomateriales avanzados.
| Parámetro medido | Resultado |
|---|---|
| Tensión de operación | Menos de 0,1 volt |
| Estabilidad temporal | Más de seis semanas |
| Consumo | Una décima parte de la memoria actual |
| Densidad teórica del ADN | 215 millones de GB por gramo |
La combinación de ADN, plata y perovskita creó canales bio-híbridos para el flujo de corriente. Con menos de 0,1 volt, los electrones se movieron de forma confiable por el dispositivo y respondieron con rapidez a los cambios de corriente. El dispositivo se mantuvo estable a altas temperaturas y durante más de seis semanas, superando a la tecnología actual de almacenamiento. Iguala la función de memoria de los dispositivos existentes pero usa apenas una décima parte de la energía.
"Usar solo el ADN o solo la perovskita no producía ni de cerca un resultado tan robusto como la combinación", explicó Keremane. "Es esta combinación la que permite una densidad de almacenamiento de memoria muy alta que requiere muy poca energía."
Qué falta
El equipo va a seguir mejorando el método y explorando nueva electrónica bioinspirada, a medida que la demanda de datos y energía de las aplicaciones de IA sigue creciendo.
"La naturaleza tiene la solución, solo hay que encontrarla y aplicarla", dijo Poudel. "Este trabajo de integrar ADN en la electrónica para hacer cosas asombrosas da un atisbo de lo que es posible."
Conviene poner la escala en perspectiva. Seis semanas de estabilidad es un resultado de laboratorio: una memoria comercial se especifica en años de retención de datos y en millones de ciclos de escritura, y esas dos cifras todavía no aparecen en el trabajo. Lo que sí es sólido es la operación bajo 0,1 volt, un orden de magnitud por debajo de lo que necesita una celda de memoria flash para escribir, y esa es la razón por la que la computación neuromórfica mira este tipo de materiales.
