Proton-transistor kan machines laten communiceren met levende dingen

Door de mens gemaakte apparaten, van lampen tot iPods, versturen informatie met behulp van elektronen. Menselijke lichamen en andere levende dingen zenden daarentegen signalen en voeren acties uit via protonen of ionen. Er wordt al veel onderzoek gedaan naar de verbinding tussen apparaten en processen in het menselijk lichaam, bijvoorbeeld voor de ontwikkeling van prothesen. Tot nu toe gaat die communicatie via elektronen, negatief geladen deeltjes, en niet via protonen – positief geladen waterstofatomen – of ionen – atomen met een positieve of negatieve lading.

Protonenstromen

"Altijd was er de uitdaging van interfacing, hoe kun je een elektronisch signaal vertalen in een ionensignaal, of vice versa?", zegt materiaaldeskundige professor Marco Rolandi. "We hebben een biomateriaal gevonden dat protonen heel goed kan geleiden en potentieel geschikt is voor interfacing met levende systemen".

In het lichaam activeren protonen ‘aan’- en ‘uit’-schakelaars en zij spelen een sleutelrol in biologische energieoverdracht. Ionen openen en sluiten kanalen in het celmembraan om dingen naar binnen en buiten te pompen. Dieren en mensen gebruiken ionen om hun spieren te bewegen en om hersensignalen over te brengen. Een machine die compatibel zou zijn met een levend systeem zou, kort gezegd, dergelijk processen kunnen observeren. En ooit zal die machine protonenstromen kunnen genereren om bepaalde functies direct te besturen. Een eerste stap naar zo’n besturing is een transistor die pulsen protonenstroom kan afgeven. Het prototype is een veldeffecttransistor (FET), een elementaire transistor met een gate-, een drain- en een source-aansluiting. Het prototype is de eerste component die werkt met protonen. Hij is ongeveer 5 micrometer breed.

Inktvis

"In onze transistor brengen grote bio-achtige moleculen protonen in beweging, en die protonenstroom kan worden aan- en uitgeschakeld. Dat is volledig vergelijkbaar met de elektronenstroom in elke andere FET", zegt Rolandi.

De component gebruikt een gemodificeerde vorm van het materiaal chitosan, verkregen uit de ‘pen’ van een inktvis. Het materiaal is compatibel met levende organismen, is makkelijk te bewerken enkan worden verkregen uit schilden van krabben en pennen van inktvissen, die worden weggegooid in de voedingsindustrie.

Medeonderzoekers  Chao Zhong en Yingxin Deng ontdekten dat deze vorm van chitosan opmerkelijk goed werkt voor protonentransport. Het chitosan absorbeert water en vormt veel waterstofverbindingen; protonen kunnen dan van de ene waterstofbinding naar de andere springen. "We hebben nu dus een protonen-equivalent voor een elektronische schakeling, dat we heel goed beginnen te begrijpen", aldus Ronaldi.

Toepassingen zullen nog wel even op zich laten wachten. In eerste instantie gaat het volgens Rolandi waarschijnlijk om het bekijken van cellen in het laboratorium. Het huidige prototype is gebaseerd op silicium en kan niet worden gebruikt in het menselijk lichaam. Op de langere termijn zou echter een biocompatibele versie direct in levende organismen kunnen worden geïmplanteerd om bepaalde biologische processen te bewaken of zelfs te besturen.