Ljudski mozak krije tajnu naših jedinstvenih ličnosti, no mogao bi postati osnova visoko učinkovitih računalnih uređaja. Istraživači sa sveučilišta u japanskom gradu Nagoyi pokazali su kako se to postiže kroz spojeve grafena i dijamanta koji oponašaju neke funkcije ljudskog mozga.

"Neuromorfne" arhiteklture

No, zašto bi znanstvenici pokušali oponašati ljudski mozak? Danas su postojeće računalne arhitekture izložene složenim podacima, ograničavajući njihovu brzinu obrade. Ljudski mozak, s druge strane, može obraditi vrlo složene podatke, poput slika, s visokom učinkovitošću. Znanstvenici su, dakle, pokušali izgraditi "neuromorfne" arhitekture koje oponašaju neuronsku mrežu u mozgu.

Fenomen bitan za pamćenje i učenje je "sinaptička plastičnost", sposobnost sinapsi (neuronskih veza) da se prilagode kao odgovor na povećanu ili smanjenu aktivnost. Znanstvenici su pokušali stvoriti sličan učinak koristeći tranzistore i "memristore". 

Nedavno razvijeni memristori sa svjetlosnom kontrolom ili "fotomemristori" mogu i detektirati svjetlost i osigurati nepromjenjivo pamćenje, slično ljudskoj vizualnoj percepciji i memoriji. Ova izvrsna svojstva otvorila su vrata potpuno novom svijetu materijala koji mogu djelovati kao umjetne optoelektroničke sinapse.

Memorijski uređaji sljedeće generacije

To je motiviralo istraživače iz Nagoye da dizajniraju grafensko-dijamantne spojeve koji mogu oponašati karakteristike bioloških sinapsi i ključnih memorijskih funkcija, otvarajući vrata memorijskim uređajima sljedeće generacije za osjetljivost slike. U nedavnoj studiji, objavljenoj u časopisu Carbon, istraživači pod vodstvom dr. Kenjija Uede pokazali su optoelektronički kontrolirane sinaptičke funkcije koristeći spojeve između okomito poravnatog grafena (VG) i dijamanta. 

Proizvedeni spojevi oponašaju biološke sinaptičke funkcije, poput proizvodnje "pobudne postsinaptičke struje" (EPSC) - naboja induciranog neurotransmiterima na sinaptičkoj membrani - kad se stimuliraju optičkim impulsima i pokazuju druge osnovne funkcije mozga, poput prijelaza iz kratkotrajne memorije (STM) do dugoročne memorije (LTM).

"Naš je mozak dobro opremljen da procijedi dostupne informacije i pohrani ono što je važno. Pokušali smo nešto slično s našim nizovima VG-dijamanata, koji oponašaju ljudski mozak kada su izloženi optičkim podražajima", objašnjava Ueda koji je studiju pokrenuo nakon otkrića velike optički inducirane promjenu vodljivosti u spojevima grafena i dijamanta.

Migracija iona

Nizovi VG-dijamanata podvrgnuti su redoks reakcijama izazvanim fluorescentnim svjetlom i plavim LED diodama pod naponom. Znanstvenici su to pripisali prisutnosti različito hibridiziranih ugljika grafena i dijamanta na sučelju spoja.

To je dovelo do migracije iona kao odgovor na svjetlost i omogućilo spojevima da obavljaju fotoosjetljive i foto-kontrolirane funkcije nalik onima koje izvode mozak i mrežnica. Uz to, nizovi VG-dijamanata nadmašili su performanse konvencionalnih fotoosjetljivih materijala na bazi rijetkih metala.

"Naša studija pruža bolje razumijevanje radnih mehanizama iza umjetnog optoelektroničkog sinaptičkog ponašanja i otvara put optički kontroliranim računalima koja oponašaju mozak koji će informacije obrađivati bolje od postojećih računala", nada se Ueda koji vjeruje da dolazi vrijeme računarstva sljedeće generacije.