DNA vốn mang thông tin di truyền của mọi sinh vật, nhưng đồng thời cũng là một phương thức lưu trữ cực kỳ dày đặc. Chỉ một gram DNA có thể chứa khoảng 215 triệu gigabyte dữ liệu. Nếu mức lưu trữ này được khai thác trong điện tử, nó có thể dẫn đến các trung tâm dữ liệu hiệu quả hơn, xử lý nhanh hơn và khả năng xử lý thông tin phức tạp hơn nhiều. Thách thức nằm ở việc làm cho một phân tử sinh học như DNA hoạt động trong hệ thống điện tử. Các nhà nghiên cứu tại Penn State cho biết họ đã tìm ra cách kết nối hai lĩnh vực này.

Hệ thống lai DNA – Perovskite

Cách tiếp cận của nhóm nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials và đang trong quá trình đăng ký bằng sáng chế, dựa trên hai thành phần chính:

• DNA tổng hợp: được thiết kế với các chuỗi ngắn phục vụ chức năng điện tử cụ thể.
• Perovskite tinh thể: một loại bán dẫn phổ biến trong pin mặt trời, laser và thiết bị lưu trữ dữ liệu.

“Bằng cách kết hợp khả năng lưu trữ thông tin của DNA với đặc tính điện tử vượt trội của perovskite, chúng tôi đã tạo ra một hệ thống lai sinh học – điện tử, thay đổi căn bản cách thiết kế thiết bị bộ nhớ tiết kiệm năng lượng,” Kavya S. Keremane, đồng tác giả nghiên cứu, chia sẻ.

Memristor và tính toán giống não bộ

Thiết bị được chế tạo là memristor – một loại điện trở bộ nhớ hoạt động với năng lượng cực thấp. Khác với điện trở truyền thống, memristor có thể giữ lại thông tin ngay cả khi mất nguồn, giống như cách neuron trong não lưu giữ ký ức.

Điều này khiến memristor trở thành ứng viên tiềm năng cho các hệ thống tính toán tiên tiến, đặc biệt trong trí tuệ nhân tạo (AI) và tính toán thần kinh (neuromorphic computing). DNA giúp giải quyết hai vấn đề lớn: dung lượng lưu trữ hạn chế và hiệu suất năng lượng thấp.

“Thiết bị của chúng tôi tiêu thụ ít hơn 100 lần năng lượng so với bộ nhớ truyền thống, đồng thời có dung lượng cao hơn,” Bed Poudel, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết.

Kỹ thuật DNA cho điện tử

Nhóm nghiên cứu đã thêm hạt nano bạc vào các chuỗi DNA tổng hợp và kết hợp chúng với lớp perovskite mỏng. Quá trình này giúp DNA dẫn điện và sắp xếp theo cấu trúc có trật tự hơn.

DNA tự nhiên thường tạo thành các chuỗi dài, rối, khó kiểm soát ở cấp độ nano. Ngược lại, DNA tổng hợp ngắn và cứng, dễ dàng xây dựng vật liệu có cấu trúc chính xác với đặc tính điện tử điều chỉnh được.

“Chúng tôi có thể thiết kế chuỗi DNA theo yêu cầu, sau đó biến chúng thành nền tảng vật liệu nano đa chức năng,” Yennawar, thành viên nhóm nghiên cứu, giải thích.

Hiệu suất và độ ổn định vượt trội

Thiết bị lai DNA – perovskite cho phép dòng điện di chuyển ổn định ngay cả khi áp dụng điện áp cực thấp, dưới 0,1 volt. Nó duy trì hoạt động ổn định ở nhiệt độ lên tới 121°C và có thể vận hành liên tục hơn 6 tuần ở nhiệt độ phòng.

Theo nhóm nghiên cứu, hiệu suất này vượt xa các thiết bị bộ nhớ dựa trên perovskite hiện nay, đồng thời chỉ tiêu thụ 1/10 năng lượng so với công nghệ lưu trữ truyền thống.

Keremane nhấn mạnh: “Chỉ dùng DNA hoặc chỉ dùng perovskite thì không đạt được kết quả mạnh mẽ như khi kết hợp cả hai. Chính sự kết hợp này tạo ra mật độ lưu trữ cực cao với mức tiêu thụ năng lượng cực thấp.”

Tương lai của điện tử lấy cảm hứng từ sinh học

Nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục cải tiến công nghệ và khám phá thêm cách sinh học có thể truyền cảm hứng cho các loại điện tử mới.

“Thiên nhiên đã có sẵn lời giải – chúng ta chỉ cần tìm ra và áp dụng,” Poudel nói. “Việc tích hợp DNA vào điện tử để tạo ra những điều kỳ diệu cho thấy một viễn cảnh đầy hứa hẹn.”