Materiais Memristor: Explorando Fontes Incomuns

Do mel no seu chá para o sangue em suas veias, os materiais ao seu redor têm um talento oculto. Algumas dessas substâncias, quando projetadas de maneiras específicas, podem atuar como memristores – componentes elétricos que podem “lembrar” estados passados.

Memristores são frequentemente usados ​​em chips que realizam cálculos e armazenam dados. São dispositivos que armazenam dados como níveis específicos de resistência. Hoje, eles são construídos como uma fina camada de dióxido de titânio ou semelhante dielétrico materials imprensado entre dois eletrodos de metallic. A aplicação de voltagem suficiente ao dispositivo faz com que pequenas regiões da camada dielétrica – onde faltam átomos de oxigênio – formem filamentos que conectam os eletrodos ou se movem de uma forma que torna a camada mais condutiva. Inverter a tensão desfaz o processo. Assim, o processo essencialmente dá a memristor uma memória de atividade elétrica passada.

No mês passado, enquanto explorava as propriedades elétricas dos fungos, um grupo do The Universidade Estadual de Ohio descobriram em primeira mão que alguns memristores orgânicos apresentam benefícios além daqueles feitos com materiais convencionais. Não só pode shiitake atua como um memristorpor exemplo, mas pode ser útil em aplicações aeroespaciais ou médicas porque o fungo demonstra altos níveis de radiação resistência. O projeto “realmente se transformou em algo authorized”, pesquisador principal John LaRocco diz com um sorriso.

Os pesquisadores aprenderam que outros materiais inesperados podem dar uma vantagem aos memristores. Eles podem ser mais flexíveis que os memristores típicos ou até mesmo biodegradáveis. Veja como eles fizeram memristores com materiais estranhos e os benefícios potenciais que esses dispositivos estranhos poderiam trazer:

Cogumelos

LaRocco e seus colegas estavam procurando um proxy para circuitos cerebrais para usar em estimulação elétrica pesquisaram quando encontraram algo interessante – os cogumelos shiitake são capazes de aprender de uma forma semelhante a memristores.

O grupo decidiu avaliar até que ponto o shiitake consegue se lembrar dos estados elétricos, primeiro cultivando nove amostras e selecionando condições ideais de cultivo, incluindo alimentá-las com uma mistura de farro, trigo e feno.

Depois de totalmente amadurecidos, os cogumelos foram secos e reidratados a um nível que os tornou moderadamente condutores. Neste estado, a estrutura do fungo inclui vias condutoras que emulam as vagas de oxigênio nos memristores comerciais. Os cientistas os conectaram a circuitos e os submeteram a testes de tensão, frequência e memória. O resultado? Memristores de cogumelo.

Pode ter um cheiro “meio engraçado”, diz LaRocco, mas o shiitake tem um desempenho surpreendentemente bom quando comparado aos memristores convencionais. Cerca de 90% das vezes, o fungo mantém um comportamento splendid semelhante ao do memristor para sinais de até 5,85 quilohertz. Embora os materiais tradicionais possam funcionar em frequências muito mais rápidas, esses números são notáveis ​​para os materiais biológicos, diz ele.

O que falta aos fungos em desempenho, eles podem compensar em outras propriedades. Por um lado, muitos cogumelos – incluindo o shiitake – são altamente resistentes à radiação e a outros perigos ambientais. “Eles estão crescendo em registros Fukushima e muitas partes muito difíceis do mundo, então esse é um dos atrativos”, diz LaRocco.

O shiitake também é uma opção ecologicamente correta e já comercializada. “Eles já são cultivados em grandes quantidades”, explica LaRocco. “Poderíamos simplesmente aproveitar as cadeias logísticas existentes” se a indústria quisesse comercializar memristores em forma de cogumelo. Os casos de uso deste produto seriam de nicho, pensa ele, e se concentrariam na resistência à radiação que o shiitake possui. Cogumelo GPU são improváveis, diz LaRocco, mas ele vê potencial para aplicações aeroespaciais e médicas.

Mel

Em 2022, engenheiros da Washington State College interessados ​​em eletrônica verde partiu para estudar se o mel pudesse servir como um bom memristor. “A eletrônica moderna gera 50 milhões de toneladas de lixo eletrônico anualmente, com apenas cerca de 20% reciclado”, diz Feng Zhaoque liderou o trabalho e agora está na Universidade de Ciência e Tecnologia do Missouri. “O mel oferece uma alternativa biodegradável.”

Os pesquisadores primeiro misturaram mel comercial com água e armazenaram-no no vácuo para remover bolhas de ar. Eles então espalharam a mistura sobre um pedaço de cobre, assaram toda a pilha a 90 °C por nove horas para estabilizá-la e, finalmente, cobriram-na com eletrodos circulares de cobre – completando o sanduíche de memristor à base de mel.

A camada de mel resultante de 2,5 micrômetros de espessura agiu como um dielétrico de óxido em memristores convencionais: um native para a formação e dissolução de caminhos condutores, alterando a resistência com a tensão. Nesta configuração, quando a tensão é aplicada, os filamentos de cobre se estendem através do mel.

O memristor à base de mel foi capaz de mudar de baixa para alta resistência em 500 nanossegundos e voltar para baixa em 100 nanossegundos, o que é comparável às velocidades em alguns materiais memristivos não alimentares.

Uma vantagem do mel é que ele é “barato e amplamente disponível, o que o torna um candidato atraente para fabricação escalonável”, diz Zhao. Também é “totalmente biodegradável e se dissolve em água, apresentando zero resíduos tóxicos”. No artigo de 2022, porém, os pesquisadores observam que para que um dispositivo à base de mel seja verdadeiramente biodegradável, os componentes de cobre precisariam ser substituídos por metais solúveis. Eles sugerem opções como magnésio e tungstêniomas também escrevem que o desempenho dos memristores feitos com esses metais ainda está “sob investigação”.

Sangue

Considerando-o um meio potencial de entregar assistência médicaum grupo em Índia me perguntei se o sangue fosse um bom memristor em 2011, apenas três anos após o primeiro memristor foi construído.

Os experimentos foram bem simples. Os pesquisadores encheram um tubo de ensaio com sangue humano fresco tipo O+ e inseriram duas sondas de fio condutor. Os fios foram conectados a uma fonte de alimentação, criando um circuito completo, e tensões de um, dois e três volts foram aplicadas em etapas repetidas. Então, para testar as qualidades do memristor do sangue tal como existe no corpo humano, os pesquisadores criaram um “modo de fluxo” que aplicava voltagem ao sangue enquanto ele fluía de um tubo até uma gota por segundo.

Os experimentos foram preliminares e mediram apenas a corrente que passava pelo sangue, mas a resistência poderia ser definida pela aplicação de voltagem. Crucialmente, a resistência mudou menos de 10% no período de 30 minutos após a aplicação da tensão. No Revista Internacional de Engenharia Médica e Informáticaos cientistas escreveram que, devido a estas observações, a sua engenhoca “parece um memristor de sangue humano”.

Eles sugeriram que esse conhecimento poderia ser útil no tratamento de doenças. Pessoas doentes podem ter desequilíbrios iônicos em certas partes do corpo – em vez de prescrever medicamentos, por que não empregar um componente de circuito feito de tecido humano para resolver o problema? Nos últimos anos, memristores baseados em sangue foram testados por outros cientistas como meios para tratar doenças que vão desde açúcar elevado no sangue para miopia.