Der Speicher, d. h. die Fähigkeit, Informationen auf leicht zugängliche Weise zu speichern, ist für Computer und das menschliche Gehirn eine wesentliche Operation. Der große Unterschied besteht darin, dass das Gehirn bei der Informationsverarbeitung Berechnungen direkt mit den gespeicherten Daten durchführen muss, während der Computer die Daten zwischen einer Speichereinheit und einer Zentraleinheit (CPU) hin- und herschickt. Diese ineffiziente Trennung (der von-Neumann-Engpass) trägt dazu bei, dass die Energiekosten von Computern steigen.
Seit den 1970er Jahren beschäftigen sich Wissenschaftler mit dem Konzept des Memristors oder Speicherwiderstands. Dabei handelt es sich um ein elektronisches Bauteil, das auf ähnliche Weise wie eine Synapse sowohl Daten berechnen als auch speichern kann. Aleksandra Radenovic, Forscherin am Labor für Biologie im Nanomaßstab (LBEN) der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der EPFL, hat sich jedoch etwas noch Ehrgeizigeres vorgenommen: ein funktionelles nanofluidisches Speichergerät, das auf Ionen anstelle von Elektronen und ihren entgegengesetzt geladenen Gegenstücken (Löchern) beruht. Ein solcher Ansatz würde die energieeffizientere Art der Informationsverarbeitung im Gehirn besser nachahmen.
"Memristoren wurden bereits zur Schaffung elektronischer neuronaler Netzwerke verwendet, aber unser Ziel ist es, ein nanofluidisches neuronales Netzwerk zu entwerfen, das sich Veränderungen der Ionenkonzentrationen zunutze macht, ähnlich wie bei lebenden Organismen", sagt Aleksandra Radenovi
"Wir haben ein neues nanofluidisches Gerät für Gedächtnisanwendungen entworfen, das viel skalierbarer und leistungsfähiger ist als seine Vorgänger", sagt Theo Emmerich, Postdoctoral Researcher am LBEN. "Zum ersten Mal konnten wir zwei derartige "künstliche Synapsen" miteinander verbinden und damit den Weg für das Design von flüssigem Material ebnen, das dem Gehirn nachempfunden ist."
Diese Forschungsarbeit wurde kürzlich in der Zeitschrift Nature Electronics veröffentlicht.
Einfach nur Wasser
Memristoren können durch die Manipulation einer angelegten Spannung von einem Leitfähigkeitszustand in den anderen - aktiv und inaktiv - wechseln. Während elektronische Memristoren auf Elektronen und Löcher angewiesen sind, um digitale Informationen zu verarbeiten, kann der Memristor des LBEN eine Reihe verschiedener Ionen nutzen. Für ihre Studie tauchten die Wissenschaftler ihr Gerät in eine wässrige Elektrolytlösung, die Kaliumionen enthielt, aber auch andere Ionen könnten verwendet werden, darunter Natrium- und Kalziumionen.
"Wir können den Speicher unseres Geräts einstellen, indem wir die Ionen, die wir verwenden, verändern, was einen Einfluss darauf hat, wie es vom aktiven in den inaktiven Zustand wechselt oder wie viel Speicher es speichert", erklärt Theo Emmerich.
Dieses Gerät wurde auf einem Chip im Zentrum für MikroNanoTechnologie der EPFL hergestellt, indem ein Nanopor in der Mitte einer Siliziumnitridmembran erzeugt wurde. Die Wissenschaftler fügten Schichten aus Palladium und Graphit hinzu, um ionische Nanokanäle zu erzeugen. Wenn ein Strom durch den Chip fließt, durchqueren die Ionen die Kanäle und laufen in der Pore zusammen, wo ihr Druck eine Blase zwischen der Oberfläche des Chips und der Graphitschicht erzeugt. Wenn die Graphitschicht durch die Blase nach oben gedrückt wird, erhöht sich die Leitfähigkeit des Bausteins, und auch sein Speicher geht in den aktiven Zustand über. Da die Graphitschicht auch bei Stromausfall angehoben bleibt, "erinnert" sich das Gerät an seinen vorherigen Zustand. Eine negative Spannung bringt die Schichten wieder in Kontakt, wodurch der Speicher wieder in den inaktiven Zustand versetzt wird.
"Die Ionenkanäle im Gehirn machen innerhalb einer Synapse strukturelle Veränderungen durch, was ebenfalls die Biologie nachahmt", sagt Yunfei Teng, Doktorand am LBEN, der am Design der Geräte gearbeitet hat - die nach der Form des Ionenflusses zu den zentralen Poren als hochasymmetrische Kanäle (HAC) bezeichnet werden.
Nathan Ronceray, Doktorand am LBEN, fügt hinzu, dass die Beobachtung der HAC-Gedächtniswirkung in Echtzeit durch das Team ebenfalls einen Fortschritt auf diesem Gebiet darstellt. "Da wir es mit einem völlig neuen Gedächtnisphänomen zu tun hatten, entwickelten wir ein Mikroskop, um es zu beobachten."
In Zusammenarbeit mit Riccardo Chiesa und Edoardo Lopriore vom Labor für Elektronik und Strukturen im Nanometerbereich , das von Andras Kis geleitet wird, gelang es den Wissenschaftlern, zwei HACs mit einer Elektrode zu verbinden, um eine auf dem Ionenfluss basierende logische Schaltung zu bilden. Diese Leistung stellt die erste Demonstration digitaler logischer Operationen dar, die auf synapsenähnlichen Ionenbauelementen beruhen. Die Wissenschaftler wollen es aber nicht dabei belassen: Ihr nächstes Ziel ist es, ein Netzwerk von HACs mit Wasserkanälen zu verbinden, um vollständig flüssige Schaltkreise zu schaffen. Die Verwendung von Wasser würde nicht nur einen integrierten Kühlmechanismus bieten, sondern auch die Entwicklung von biokompatiblen Geräten erleichtern, die in Gehirn-Computer-Schnittstellen oder in der Neuromedizin eingesetzt werden könnten.
