Напечатаны гибкие искусственные синапсы, которые можно растворить за шесть минут

Инженеры, конструирующие современную электронику, всеми силами стремятся хоть немного приблизить ее по своим возможностям к мозгу, сочетающему колоссальную вычислительную мощность с невероятно низким энергопотреблением. Элементы и схемы, работающие так же, как нейроны, изготавливаются обычно из кремния с обильным применением редких и тяжелых металлов, что предполагает сложные и дорогостоящие производственные процессы, а исчерпав свой ресурс, такие устройства превращаются в экологически вредные отходы.

В Сучжоуском университете науки и технологий решили эти проблемы — там разработали искусственный синапс, который печатается жидкими чернилами на гибкой подложке при комнатной температуре, а при необходимости может быть за считанные минуты растворен в специальном реактиве. Разработка и результаты ее испытаний описаны в International Journal of Extreme Manufacturing.

Построение вычислительной техники из органических материалов — задача нетривиальная: они не отличаются хорошей проводимостью, и кажется, что без металлов не обойтись. Китайские химики-материаловеды нашли решение — они собрали молекулы вещества из класса порфиринов в жесткую двумерную решетку — так называемый водородно-связанный органический каркас, или TCPP-HOF. Водородные связи в нем играют роль несущих конструкций, запирая молекулы в плоские слои, уложенные на расстоянии всего 0,35 нм друг от друга.

Эта архитектура работает как микроскопический турникет, который запоминает каждый прошедший через него электрический импульс. Когда на слой подается прямой импульс, электрические заряды соскальзывают в отведенные молекулярные «карманы» для отдыха, прокладывая путь с низким сопротивлением и повышая проводимость устройства, — примерно так же, как биологический синапс усиливается для закрепления воспоминаний. Обратный импульс напряжения вытягивает эти заряды назад, сбрасывая соединение. Поскольку молекулярные дорожки выровнены с высокой точностью, такое переключение занимает всего 26 наносекунд — и при этом надежно удерживает десять различных уровней памяти.

Исследователи взяли эластичную полииминную основу, спин-коатингом нанесли на нее активный слой TCPP-HOF, электроды из MXene напечатали — и получили массив мемристоров 10×10. По результатам испытаний гибкий чип распознал цифры с точностью 97,23%, дойдя почти до теоретического потолка в 99,24%, выведенного программным моделированием.

Гибкие органические слои продолжали работать даже после того, как лист согнули 200 раз подряд вокруг туго закрученной дуги радиусом 5 мм. А когда устройство выполнит свою задачу, достаточно окунуть его в теплый химический раствор — и полимерная основа распадается на растворимые мономеры ровно за шесть минут, оставляя в осадке немного бывшего активного слоя.

Гибкие чипы найдут применение прежде всего в медицине — в качестве всевозможных носимых сенсоров, которые могут собирать данные с тела и легко утилизируются, когда становятся ненужными. Сейчас разработчики трудятся над масштабированием устройств и ищут способ защитить их от влаги.