Imitación de funciones cerebrales con uniones grafeno-diamante

El cerebro humano guarda el secreto de nuestras personalidades únicas. ¿Pero sabías que también puede formar la base de dispositivos informáticos altamente eficientes? Investigadores de la Universidad de Nagoya en Japón han demostrado recientemente cómo hacer esto, utilizando uniones grafeno-diamante que imitan algunas de las funciones del cerebro humano.

Pero, ¿por qué los científicos intentarían emular el cerebro humano? Hoy en día, las arquitecturas informáticas existentes están sujetas a datos complejos, lo que limita su velocidad de procesamiento. el humano cerebro, por otro lado, puede procesar datos muy complejos, como imágenes, con alta eficiencia. Por lo tanto, los científicos intentaron construir arquitecturas «neuromórficas» que imitaran la red neuronal del cerebro.

Un fenómeno esencial para la memoria y el aprendizaje es «plasticidad sinaptica, «la capacidad de las sinapsis (conexiones neuronales) para adaptarse en respuesta a un aumento o disminución de la actividad. Los científicos han intentado recrear un efecto similar utilizando transistores y» memristores «(dispositivos de memoria electrónica cuya resistencia se puede almacenar)., o» fotomemristors «, pueden detectar la luz y proporcionar memoria no volátil, similar a la percepción visual y la memoria humana. Estas excelentes propiedades han abierto la puerta a un mundo completamente nuevo de materiales que pueden actuar como sinapsis optoelectrónicas artificiales.

Esto llevó al equipo de investigación de la Universidad de Nagoya a diseñar uniones de grafeno-diamante que pueden imitar las características de las sinapsis biológicas y las funciones de memoria clave, abriendo la puerta a los dispositivos de memoria de detección de imágenes de próxima generación. En su reciente estudio publicado en Carbón, los investigadores, dirigidos por el Dr. Kenji Ueda, demostraron funciones sinápticas controladas optoelectrónicamente utilizando uniones entre el grafeno alineado verticalmente (VG) y el diamante. Las uniones fabricadas imitan funciones sinápticas biológicas como la producción de «corriente postsináptica excitadora» (EPSC) – la carga inducida por neurotransmisores en la membrana sináptica – cuando se estimulan con pulsos ópticos y exhiben otras funciones cerebrales básicas como la transición de memoria de corto plazo (STM) a largo plazo memoria (LTM).

El Dr. Ueda explica: «Nuestros cerebros están bien equipados para filtrar la información disponible y almacenar lo que es importante. Intentamos algo similar con nuestras matrices VG de diamantes, que emulan el cerebro humano cuando se exponen a estímulos ópticos». Agrega: «Este estudio se inició debido a un descubrimiento en 2016 cuando encontramos un gran cambio de conductividad inducido ópticamente en las uniones grafeno-diamante». Además de EPSC, STM y LTM, las uniones también muestran una facilitación del pulso emparejado del 300%, un aumento en la corriente postsináptica cuando está muy precedida por una sinapsis anterior.

Las matrices VG-diamante han pasado reacciones redox inducida por luz fluorescente y LED azules bajo un voltaje de polarización. Los investigadores atribuyeron esto a la presencia de carbonos de diamante y grafeno hibridados de manera diferente en la interfaz de la unión, lo que condujo a la migración de iones en respuesta a la luz y, a su vez, permitió que las uniones realizaran funciones fotosensibles y fotocontrolables similares a las realizadas por el cerebro. y retina. Además, las matrices de diamantes VG superaron a los materiales fotosensibles convencionales basados ​​en metales raros en términos de fotosensibilidad y simplicidad estructural.

El Dr. Ueda dice: «Nuestro estudio proporciona una mejor comprensión del mecanismo de trabajo detrás de los comportamientos sinápticos optoelectrónicos artificiales, allanando el camino para que las computadoras de simulación cerebral ópticamente controlables tengan mejores capacidades de procesamiento de información que las computadoras existentes».

Es posible que el futuro de la informática de próxima generación no esté muy lejano.