Memristor マテリアル: 珍しいソースの探索

お茶の中の蜂蜜から静脈内の血液まで、あなたの周りの素材には隠れた才能があります。これらの物質の一部は、特定の方法で加工すると、メモリスタ、つまり過去の状態を「記憶」できる電気部品として機能することができます。

メモリスタは、計算の実行とデータの保存の両方を行うチップでよく使用されます。これらは、データを特定のレベルの抵抗として保存するデバイスです。現在、それらは 2 つの金属電極の間に挟まれた二酸化チタンまたは同様の誘電体材料の薄層として構築されています。デバイスに十分な電圧を印加すると、誘電体層の小さな領域（酸素原子が欠落している領域）がフィラメントを形成し、電極を橋渡しするか、層の導電性を高める方向に移動します。電圧を逆にするとプロセスが元に戻ります。したがって、このプロセスは基本的にメモリスタに過去の電気活動の記憶を与えます。

先月、オハイオ州立大学のグループは、菌類の電気的特性を研究していたところ、一部の有機メモリスターには従来の材料で作られたものを超える利点があることを直接発見した。たとえば、シイタケはメモリスタとして機能するだけでなく、この菌類は高レベルの放射線耐性を示すため、航空宇宙や医療用途にも役立つ可能性があります。主任研究員のジョン・ラロッコ氏は、このプロジェクトは「本当に素晴らしいものに成長した」と笑いながら語る。

研究者らは、他の予期せぬ素材がメモリスターに優位性をもたらす可能性があることを学びました。これらは、典型的なメモリスタよりも柔軟性があり、さらには生分解性である可能性があります。彼らが奇妙な材料からメモリスタをどのように作ったか、そしてこれらの奇妙なデバイスがもたらす可能性のある潜在的な利点は次のとおりです。

キノコ

ラロッコと彼の同僚は、電気刺激の研究に使用する脳回路の代用物を探していたとき、興味深いものを発見しました。それは、シイタケがメモリスターと同様の方法で学習する能力があるということです。

研究グループは、まず9つのサンプルを培養し、ファロ、小麦、干し草の混合物を与えるなど最適な生育条件を調整することで、シイタケが電気状態をどの程度記憶できるかを評価することにした。

完全に成熟したら、キノコを乾燥させ、適度な導電性を示すレベルまで再水和させます。この状態では、菌類の構造には市販のメモリスタの酸素欠損を模倣する導電経路が含まれています。科学者たちはそれらを回路に接続し、電圧、周波数、メモリのテストを実施しました。結果？キノコのメモリスタ。

ラロッコ氏は「ちょっと変な匂いがするかもしれない」と言うが、従来のメムリストと比較すると、シイタケは驚くほど優れた性能を発揮するという。約 90% の確率で、この菌は 5.85 キロヘルツまでの信号に対して理想的なメモリスタのような動作を維持します。従来の材料は周波数で桁違いに速く機能することができますが、生物材料ではこの数字が注目に値すると彼は言います。

菌類の性能が不足している部分を、他の性質で補うことができるかもしれません。まず、シイタケを含む多くのキノコは、放射線やその他の環境上の危険に対して高い耐性を持っています。 「福島や世界の多くの荒れた地域の原木で育っているので、それが魅力の一つです」とラロッコさんは言う。

シイタケも環境に優しい選択肢であり、すでに商品化されています。 「それらはすでに大量に培養されています」とラロッコ氏は説明する。業界がキノコメモリスタを商品化したい場合、「既存の物流チェーンを活用するだけで済みます」。この製品の用途はニッチなもので、シイタケが誇る耐放射線性が中心になるだろうと同氏は考えている。ラロッコ氏は、マッシュルーム GPU の可能性は低いが、航空宇宙や医療用途の可能性はあると見ています。

ハニー

2022 年、グリーン エレクトロニクスに興味を持つワシントン州立大学の技術者たちは、ハチミツが優れたメモリスタとして機能するかどうかの研究を開始しました。 「現代の電子機器は年間 5,000 万トンの電子機器廃棄物を生成しますが、リサイクルされるのはわずか約 20 パーセントです」と、この研究を主導し、現在はミズーリ工科大学に在籍する Feng Zhao 氏は述べています。 「蜂蜜は生分解性の代替品です。」

研究者らはまず、市販の蜂蜜を水と混合し、気泡を取り除くために真空中で保管した。次に、混合物を銅の上に広げ、安定させるためにスタック全体を 90 °C で 9 時間焼き、最後にその上に円形の銅電極をかぶせて、蜂蜜ベースのメモリスタ サンドイッチが完成しました。

結果として得られた厚さ 2.5 マイクロメートルの蜂蜜層は、従来のメモリスタの酸化物誘電体のように機能し、導電経路が形成および溶解し、電圧によって抵抗が変化する場所でした。この設定では、電圧が印加されると、銅のフィラメントが蜂蜜の中を伸びます。

蜂蜜ベースのメモリスタは、500 ナノ秒で低抵抗から高抵抗に切り替わり、100 ナノ秒で低抵抗に戻ることができました。これは、一部の非食品ベースのメモリスティブ材料の速度に匹敵します。

蜂蜜の利点の 1 つは、「安価で広く入手できるため、拡張可能な製造の魅力的な候補となる」ことだと Zhao 氏は言います。また、「完全に生分解性で水に溶けるため、有毒廃棄物がゼロです。」しかし、2022年の論文で研究者らは、蜂蜜ベースのデバイスが真に生分解性であるためには、銅のコンポーネントを溶解可能な金属に置き換える必要があると指摘している。彼らはマグネシウムやタングステンなどの選択肢を示唆しているが、これらの金属で作られたメモリスタの性能はまだ「調査中」であるとも書いている。

血

最初のメモリスタが建設されてからわずか 3 年後の 2011 年に、医療を提供する潜在的な手段として血液を考慮し、インドのグループが血液から優れたメモリスタが作れるのではないかと考えました。

実験はとても簡単でした。研究者らは、試験管に新鮮な O+ 型人間の血液を満たし、2 本の導線プローブを挿入しました。ワイヤは電源に接続されて完全な回路を形成し、1 ボルト、2 ボルト、3 ボルトの電圧が繰り返しのステップで印加されました。次に、人体内に存在する血液のメモリスタ特性をテストするために、研究者らは、血液がチューブから流れるときに毎秒最大 1 滴で電圧を印加する「フロー モード」を設定しました。

この実験は予備的なもので、血液を流れる電流を測定するだけでしたが、電圧を印加することで抵抗を設定することができました。重要なのは、電圧を印加してから 30 分間の抵抗変化は 10% 未満でした。で 医療工学および情報学の国際ジャーナル、科学者らは、これらの観察により、その装置は「人間の血液メモリスタのように見える」と書いています。

彼らは、この知識が病気の治療に役立つ可能性があることを示唆しました。病気の人は体の特定の部分にイオンのバランスが崩れている可能性があります。問題を解決するために、薬を処方する代わりに、人間の組織で作られた回路コンポーネントを利用してみてはいかがでしょうか?近年、血液ベースのメモリスタは、高血糖から近視に至るまでのさまざまな症状を治療する手段として他の科学者によってテストされています。