Ученые из Университета Осаки и Токийского университета совместно с исследователями Итальянского технологического института и Университета Модены и Реджо-Эмилии создали уникальную мембрану, которая может самостоятельно открывать и закрывать свои поры, подобно тому, как это делают белковые каналы в живых клетках. Эта разработка прокладывает путь к развитию ионной электроники, так называемой ионтроники, то есть системам, в которых информационный сигнал переносят не электроны в твердом теле, а ионы в жидкости.
Вдохновляясь природой, исследователи давно стремятся воспроизвести работу ионных каналов – белков, которые избирательно пропускают ионы через клеточную мембрану и управляют возбуждением нервных клеток. Но создание искусственных структур с порами атомарного размера – чрезвычайно сложная технологическая задача, поскольку современная литография практически не позволяет формировать отверстия меньше нанометра с высокой точностью и воспроизводимостью. Японским и итальянским ученым удалось предложить альтернативный подход – не «вырезать» такие поры, а заставить их формироваться и исчезать за счет управляемой химической реакции.
Исследователи использовали тонкую кремниевую мембрану с отверстием диаметром около 100 нанометров и заполнили пространство по разные стороны от нее разными растворами: с одной стороны – хлоридом марганца, с другой – фосфатным буфером. При подаче напряжения ионы марганца и фосфат-ионы начинали двигаться навстречу друг другу и встречались прямо в канале. В результате внутри поры образовывался осадок фосфата марганца, который постепенно сужал проход вплоть до полного перекрытия. Со сменой полярности напряжения направление движения ионов менялось, кислая среда растворяла осадок, и мембрана вновь становилась открытой. Этот цикл удалось повторить более 750 раз без заметной потери стабильности.
Дальнейшие эксперименты показали, что запечатанная пора не остается статичной. Осадочный слой внутри канала непрерывно участвует в конкурирующих процессах растворения и повторного осаждения. В результате в нем периодически возникают крошечные каналы субнанометрового масштаба, которые самопроизвольно открываются и закрываются. В электрическом сигнале это проявляется как серия спонтанных пиков – своеобразные искусственные аналоги нервных импульсов. Таким образом мембрана начинает работать как динамический ионный элемент, способный генерировать импульсную активность.
Изменяя химический состав растворов, ученые смогли тонко настраивать поведение системы. При использовании солей кальция мембрана переходила в режим периодических «всплесков» тока. Добавление фторида калия позволило сформировать поры настолько малого размера, что ионы фтора проходили через них, частично теряя водную оболочку. Этот эффект – дегидратация иона при прохождении через узкий канал – лежит в основе селективности биологических мембран. Ранее в твердотельных структурах он предсказывался теоретически.
Особенно показательной стала демонстрация масштабируемости. При переходе от одной поры к массиву из 36 отверстий все они работали синхронно, а частота генерации импульсов росла пропорционально их числу. Это подтверждает, что метод пригоден не только для фундаментальных исследований, но и для создания реальных многоканальных устройств.
В перспективе мембраны могут стать основой ионных переключателей и мемристоров –элементов, которые не просто проводят сигнал, а запоминают историю его прохождения. На их базе можно создавать нейроморфные схемы, где импульсы формируются и передаются так же, как в нервной ткани, – за счет управляемых «спайков» ионов в растворе. В отличие от традиционных транзисторов, работающих на потоках электронов, такие устройства способны естественным образом воспроизводить импульсную логику нейронов и синапсов, при этом оставаясь совместимыми с кремниевой микротехнологией и стандартными методами производства микросхем.
