Schaltkreis verarbeitet Daten mit Protonen statt mit Elektronen - bessere Verknüpfung von Computern mit biologischen Prozessen geplant

Protonen-Transistor

Seattle (USA) - Negativ geladene Elektronen fließen in allen herkömmlichen Computerchips. Ein völlig neuer Transistor-Typ nutzt nun positiv geladene Protonen für die streng logischen Schaltprozesse. Da Protonen etwa 1800-mal schwerer sind als Elektronen, locken damit jedoch keine kleineren und schnelleren Prozessoren. Aber da in lebenden Organismen Signale ebenfalls mit Protonen und elektrische geladenen Ionen verarbeitet werden, könnte der Protonen-Transistor zu besseren Verknüpfungen von biologischen Prozessen mit Computern führen. Einen ersten Prototyp dieses neuartigen Schaltmoduls, der auf einem Material aus den Schalen von Garnelen basiert, stellten amerikanische Forscher nun in der Fachzeitschrift "Nature Communications" vor.

"In unserem Modul können große, biologisch inspirierte Moleküle Protonen bewegen", sagt Marco Rolandi von der University of Washington in Seattle. Und dieser Protonenstrom konnte völlig analog zu den Elektronen in einem herkömmlichen Transistor geschaltet werden. Die Basis für den Protonen-Transistor bildete ein hauchdünner Film aus Chitosan-Nanofasern. Dieses Biopolymer wird technisch aus dem chitinhaltigen Panzer von Garnelen gewonnen.

Auf einer isolierenden Unterlage aus Siliziumdioxid verknüpften Rolandi und Kollegen die Chitosan-Fasern und bauten so einen Feldeffekt-Transistor. Gesteuert mit elektrischen Spannungen von bis zu 15 Volt wanderten nun positiv geladene Protonen durch dieses Biomaterial und erlaubten für einen Transistor typische Schaltprozesse. Allerdings bewegten sich die Protonen knapp 300 Mal langsamer durch die Chitosan-Fasern als Elektronen im Halbleiter Silizium.

Auf eine große Schaltgeschwindigkeit haben es die Forscher um Rolandi aber auch nicht abgesehen. Sie denken eher an intelligente Implantate, die direkt mit den biologischen Signalwegen, auf denen ebenfalls Protonen wandern können, kommunizieren sollen. Bisher erhob sich hierbei immer die Hürde, die biologischen Protonen-Signale in rein elektronische Pulse quasi zu übersetzen. Mit einem Chip aus Protonen-Transistoren wäre dieser Zwischenschritt überflüssig. "Meine Hoffnung liegt darin, dass diese Module dann direkt mit Zellen über Ladungsträger wie Protonen kommunizieren", sagt Roland. Weitere Versuche in diese Richtung seien geplant. Verlaufen diese Experimente erfolgreich, wären im kommenden Jahrzehnt biokompatible Protonen-Chips vorstellbar, die Körperfunktionen in Menschen überwachen oder Prothesen steuern könnten.