مواد الممريستور: استكشاف مصادر غير عادية

من العسل الموجود في الشاي إلى الدم الذي يجري في عروقك، تتمتع المواد المحيطة بك بموهبة خفية. بعض هذه المواد، عندما يتم هندستها بطرق محددة، يمكن أن تعمل بمثابة ميمريستورات – مكونات كهربائية يمكنها “تذكر” الحالات الماضية.

غالبًا ما يتم استخدام Memristors في الرقائق التي تقوم بالحسابات وتخزن البيانات. إنها أجهزة تقوم بتخزين البيانات كمستويات معينة من المقاومة. اليوم، يتم تصنيعها كطبقة رقيقة من ثاني أكسيد التيتانيوم أو مادة عازلة مماثلة محصورة بين قطبين كهربائيين معدنيين. يؤدي تطبيق ما يكفي من الجهد على الجهاز إلى إنشاء مناطق صغيرة في الطبقة العازلة – حيث تكون ذرات الأكسجين مفقودة – لتشكيل خيوط تربط الأقطاب الكهربائية أو تتحرك بطريقة تجعل الطبقة أكثر موصلية. عكس الجهد يبطل العملية. وبالتالي، فإن هذه العملية تعطي الذاكرة للنشاط الكهربائي الماضي.

في الشهر الماضي، أثناء استكشاف الخواص الكهربائية للفطريات، وجدت مجموعة من جامعة ولاية أوهايو بشكل مباشر أن بعض الذاكرات العضوية لها فوائد تتجاوز تلك المصنوعة من المواد التقليدية. على سبيل المثال، لا يمكن لشيتاكي أن يعمل كممريستور فحسب، بل قد يكون مفيدًا في التطبيقات الفضائية أو الطبية لأن الفطر يظهر مستويات عالية من مقاومة الإشعاع. يقول الباحث الرئيسي جون لاروكو مبتسماً: “لقد تطور المشروع حقاً إلى شيء رائع”.

لقد تعلم الباحثون أن مواد أخرى غير متوقعة قد تمنح الذاكرات ميزة. قد تكون أكثر مرونة من الذاكرات التقليدية أو حتى قابلة للتحلل. وإليك كيفية صنع ذاكرات من مواد غريبة، والفوائد المحتملة التي يمكن أن تجلبها هذه الأجهزة الغريبة:

الفطر

كان لاروكو وزملاؤه يبحثون عن بديل لدوائر الدماغ لاستخدامها في أبحاث التحفيز الكهربائي عندما عثروا على شيء مثير للاهتمام، وهو أن فطر الشيتاكي قادر على التعلم بطريقة مشابهة للذاكرات.

شرعت المجموعة في تقييم مدى قدرة شيتاكي على تذكر الحالات الكهربائية من خلال زراعة تسع عينات أولاً وتوفير ظروف النمو المثالية، بما في ذلك إطعامها بمزيج من الفارو والقمح والقش.

بمجرد نضج الفطر تمامًا، يتم تجفيفه وإعادة ترطيبه إلى مستوى يجعله موصلًا بشكل معتدل. في هذه الحالة، تشتمل بنية الفطريات على مسارات موصلة تحاكي شواغر الأكسجين في الذاكرات التجارية. وقام العلماء بتوصيلها بالدوائر الكهربائية وإخضاعها لاختبارات الجهد والتردد والذاكرة. النتيجة؟ ذاكرات الفطر.

قد تكون رائحتها “مضحكة نوعًا ما”، كما يقول لاروكو، لكن أداء شيتاكي جيد بشكل مدهش عند مقارنته بالميمريستورات التقليدية. وفي حوالي 90% من الحالات، يحتفظ الفطر بسلوك مثالي يشبه الممرستور للإشارات التي يصل ترددها إلى 5.85 كيلو هرتز. في حين أن المواد التقليدية يمكن أن تعمل بترددات ذات حجم أسرع، فإن هذه الأرقام ملحوظة بالنسبة للمواد البيولوجية، كما يقول.

ما تفتقر إليه الفطريات في الأداء، قد تعوضه في خصائص أخرى. أولاً، العديد من أنواع الفطر – بما في ذلك فطر شيتاكي – شديدة المقاومة للإشعاع والمخاطر البيئية الأخرى. يقول لاروكو: “إنها تنمو في جذوع الأشجار في فوكوشيما وفي الكثير من المناطق الصعبة للغاية في العالم، لذا يعد هذا أحد عوامل الجذب”.

يعد شيتاكي أيضًا خيارًا صديقًا للبيئة وقد تم تسويقه بالفعل. يوضح لاروكو: “لقد تم تربيتها بالفعل بكميات كبيرة”. “يمكن للمرء ببساطة الاستفادة من السلاسل اللوجستية الحالية” إذا أرادت الصناعة تسويق ميمريستورات الفطر. ويعتقد أن حالات الاستخدام لهذا المنتج ستكون متخصصة، وستتمحور حول مقاومة الإشعاع التي يتباهى بها شيتاكي. ويقول لاروكو إن وحدات معالجة الرسوميات على شكل فطر غير محتملة، لكنه يرى إمكانية استخدامها في تطبيقات الفضاء والطبية.

عسل

في عام 2022، شرع المهندسون في جامعة ولاية واشنطن المهتمون بالإلكترونيات الخضراء في دراسة ما إذا كان العسل يمكن أن يكون بمثابة ممريستور جيد. يقول فينج تشاو، الذي قاد العمل وهو الآن في جامعة ميسوري للعلوم والتكنولوجيا: “تولد الإلكترونيات الحديثة 50 مليون طن من النفايات الإلكترونية سنويًا، مع إعادة تدوير حوالي 20 بالمائة فقط منها”. “العسل يقدم بديلاً قابلاً للتحلل.”

قام الباحثون أولاً بمزج العسل التجاري مع الماء وتخزينه في فراغ لإزالة فقاعات الهواء. ثم قاموا بتوزيع الخليط على قطعة من النحاس، ثم خبزوا المجموعة بأكملها عند درجة حرارة 90 درجة مئوية لمدة تسع ساعات لتثبيتها، وأخيرًا، قاموا بتغطيتها بأقطاب نحاسية دائرية في الأعلى، لاستكمال شطيرة الممرستور القائمة على العسل.

وكانت طبقة العسل الناتجة بسمك 2.5 ميكرومتر تعمل كعازل أكسيد في الميمريستورات التقليدية: مكان للمسارات الموصلة للتشكل والذوبان، وتغيير المقاومة مع الجهد. في هذا الإعداد، عند تطبيق الجهد الكهربائي، تمتد خيوط النحاس عبر العسل.

كان الممريستور المعتمد على العسل قادرًا على التحول من المقاومة المنخفضة إلى المقاومة العالية في 500 نانو ثانية والعودة إلى المقاومة المنخفضة في 100 نانو ثانية، وهو ما يشبه السرعات في بعض المواد الذاكرة غير الغذائية.

يقول تشاو إن إحدى مزايا العسل هي أنه “رخيص ومتاح على نطاق واسع، مما يجعله مرشحًا جذابًا للتصنيع القابل للتطوير”. كما أنه “قابل للتحلل البيولوجي بالكامل ويذوب في الماء، مما يؤدي إلى عدم وجود أي نفايات سامة.” ومع ذلك، في ورقة عام 2022، لاحظ الباحثون أنه لكي يكون الجهاز المعتمد على العسل قابلاً للتحلل البيولوجي حقًا، يجب استبدال المكونات النحاسية بمعادن قابلة للذوبان. يقترحون خيارات مثل المغنيسيوم والتنغستن، لكنهم يكتبون أيضًا أن أداء الميمرستورات المصنوعة من هذه المعادن لا يزال “قيد التحقيق”.

دم

نظرًا لأنه وسيلة محتملة لتقديم الرعاية الصحية، تساءلت مجموعة في الهند عما إذا كان الدم سيصنع ممرستورًا جيدًا في عام 2011، بعد ثلاث سنوات فقط من بناء أول ممرستور.

كانت التجارب بسيطة جدًا. قام الباحثون بملء أنبوب اختبار بدم بشري طازج من فصيلة O+ وأدخلوا مسبارين سلكيين موصلين. تم توصيل الأسلاك بمصدر طاقة، مما أدى إلى إنشاء دائرة كاملة، وتم تطبيق الفولتية بجهد واحد، واثنين، وثلاثة فولت في خطوات متكررة. ومن ثم، لاختبار صفات الدم الممرستور كما هو موجود في جسم الإنسان، أنشأ الباحثون “وضع التدفق” الذي يطبق الجهد الكهربي على الدم أثناء تدفقه من أنبوب بمعدل يصل إلى قطرة واحدة في الثانية.

كانت التجارب أولية وتم قياس التيار المار عبر الدم فقط، ولكن يمكن ضبط المقاومة عن طريق تطبيق الجهد الكهربي. والأهم من ذلك، أن المقاومة تغيرت بنسبة أقل من 10 بالمائة خلال فترة 30 دقيقة بعد تطبيق الجهد. في المجلة الدولية للهندسة الطبية والمعلوماتيةكتب العلماء أنه بسبب هذه الملاحظات، فإن اختراعهم “يبدو وكأنه ذاكرة دم بشرية”.

واقترحوا أن هذه المعرفة يمكن أن تكون مفيدة في علاج المرض. قد يعاني المرضى من خلل في التوازن الأيوني في أجزاء معينة من أجسامهم، فبدلاً من وصف الدواء، لماذا لا نستخدم مكون دائرة مصنوعًا من الأنسجة البشرية لحل المشكلة؟ في السنوات الأخيرة، تم اختبار الميمريستورات المعتمدة على الدم من قبل علماء آخرين كوسيلة لعلاج حالات تتراوح بين ارتفاع نسبة السكر في الدم إلى قصر النظر.