Intelligente Implantate durch Chitosan basierten Protonen-Transistor bald möglich?

Materialforscher der Universitäten in Washington und Waterloo entwickelten nun einen Transistor, der anstelle negativ geladener Elektronen, positiv geladene Protonen für streng logische Schaltprozesse nutzt. Man hofft, dass dieser Transistor in der Zukunft eine bessere Schnittstelle zwischen lebenden Systemen bzw. biologischen Prozessen und elektronischen Nanobauteilen bereitstellen kann. Der Transistor könnte u. U. die durch Protonen und elektrisch geladene Ionen aktivierte Signalverarbeitung und Prozessverrichtung in lebenden Organismen messen und wäre durch die Generierung von Protonenströmen eines Tages vielleicht sogar in der Lage, diese direkt zu steuern.

Bei diesem neuartigen Schaltmodul handelt es sich zunächst um einen Prototyp, einen so genannten Feldeffekt-Transistor, der lediglich 5 µm (ca. 20-mal dünner als ein menschliches Haar) misst.

Ein hauchdünner Film aus Malein-Chitosan-Nanofasern bildet die Basis des Protonen-Transistors. Die Fasern wurden dabei an eine isolierte Unterlage aus Siliziumdioxid gekoppelt.

Das Biopolymer Chitosan bindet Wassermoleküle und fungiert als Brücke, auf der sich Protonen von einem Kontakt zum anderen bewegen können. Wird eine Spannung am Transistor-Eingang angelegt, bilden die Wassermoleküle eine Kette, die eine Protonen-Weitergabe von Molekül zu Molekül ermöglicht.

Die Mobilität der Protonen beträgt dabei ~4.9x10-3cm2V-1s-1. Die im Vergleich zu Elektronen etwa 300-mal langsamere Bewegung begründet sich dadurch, dass Protonen etwa 1800-mal schwerer sind als Elektronen. Allerdings wurde eine große Schaltgeschwindigkeit seitens der Wissenschaftler nicht zwingend angestrebt. Vielmehr stand die Realisierung intelligenter Implantate im Fokus.

Bei den Versuchen gelang es den Wissenschaftlern, den Protonenstrom zu verändern und auch nahezu vollständig auszuschalten. Der Protonenfluss zeigte sich umso größer, je negativer die Spannung auftrat und umgekehrt.

Da der Prototyp Silizium enthält, das sich mit lebenden Systemen nicht verträgt, kann der Transistor zum heutigen Zeitpunkt noch nicht im menschlichen Körper verwendet werden.

Zukünftig sind aber weitere Versuche geplant. Bei einem Erfolg kommender Experimente, sind in den nächsten 10 Jahren biokompatible Protonen-Chips vorstellbar, die menschliche Körperfunktionen überwachen oder die Funktion von Prothesen steuern.

Die Erfindung der Forschergruppe um Marco Rolandi wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications im September 2011 erstmals vorgestellt.

Quellen:

Nature Communications
Rolandi M. et al.: A polysaccaride bioprotonic field-effect transitor

Idealab
Hoekenga C.: New Transistor Is A Step Towards Dierct Communication Between Machines And Living Beings

Taylor K.: Proton-based transistor could let machines communicate with humans

Spektrum.de
Biologischer Transistor bewegt Protonen

Wissenschaft aktuell
Löfken, J. O.: Transistor aus Garnelen

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