Китайские инженеры сделали полноценный гибкий и прозрачный чип. Он основан на дисульфиде молибдена, и плотность элементов в нем выше тысячи на квадратный сантиметр. Микросхема сохраняет работоспособность после многократного сгибания в крутую дугу, что делает ее полезной для электронной одежды и мягких устройств. Работа опубликована в Nature Electronics.
Разработка гибкой и прозрачной электроники — один из ключевых приоритетов последнего десятилетия. Она пригодится во множестве мест, включая носимые сенсоры, умную одежду, чувствительную искусственную кожу роботов, прозрачные дисплеи и визоры, а также для многого другого. К созданию мягких микросхем есть несколько подходов. Можно использовать органические полупроводники, например из ионно-проводящей полимерной пленки смогли сделать весь классический набор электронных компонентов. Кроме того, гибкие чипы пробуют конструировать на основе углеродных нанотрубок или оксида цинка.
Ключевой параметр микросхемы — количество электронных компонентов. Одиночный полевой транзистор пропускает ток в зависимости от управляющего сигнала и способен выполнять только простые задачи, например, регулировать громкость звука в наушниках. Но если электронных компонентов несколько и разных, их можно организовать в логическую схему для решения сложных задач, а в центральном процессоре компьютера счет транзисторов идет на миллиарды. Из гибких компонентов ранее удавалось создать только самые простые схемы.
На Ли (Na Li) из Пекинской национальной лаборатории физики конденсированных сред и его коллеги сделали гибким и прозрачным полноценный чип с тысячами полевых транзисторов. Он основан на однослойном дисульфиде молибдена, который нанесен на полиэтиленовую подложку. Монослой получили методом химического осаждения из газовой фазы на сапфире. После этого на полиэтилен нанесли оксид индия-олова, который служил слоем затвора, и оксид алюминия в качестве слоя диэлектрика, затем сверху закрепили монослой дисульфида молибдена. Для формирования транзисторов применили стандартную послойную фотолитографию.
В результате получился чип, который выглядит как прозрачная пленка. Плотность транзисторов в нем достигла полутора тысяч на квадратный сантиметр, из которых правильно работали 97 процентов. Плотность тока составила 35 микроампер на микрон, подвижность носителей заряда — 55 квадратных сантиметров на вольт секунду. Чтобы продемонстрировать функциональность, инженеры произвели еще один опытный образец с логическими элементами инверсии, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и другими, что достаточно для вычислений. Кроме того, чип оказался устойчивым к многократному сгибанию — четырехсантиметровую пластинку можно безбоязненно обернуть вокруг пальца и разогнуть множество раз, электрические свойства нарушатся только если заломить острый угол.
Чтобы электронное устройство было целиком гибким (или прозрачным), к микросхеме нужен аналогичный источник электроэнергии. Можно применить прозрачную солнечную батарею, эффективность которых уже превышает десять процентов, или поставить гибкий аккумулятор, который еще и растягивается.
Василий Зайцев
Мозгу пациентов навязывали гамма-ритм с помощью сенсорной стимуляции
Проведенные в США пилотные испытания на людях показали, что неинвазивное навязывание мозгу гамма-ритма с помощью света и звука безопасно и может подавлять процессы, связанные с развитием болезни Альцгеймера. Отчет о работе опубликован в журнале PLoS One. Болезнь Альцгеймера (самая частая причина деменции) — многофакторное заболевание, которое характеризуется накоплением в нервной ткани бета-амилоида и тау-белка, сопутствующими нарушениями клеточного метаболизма, снижением уровня ацетилхолина, воспалением и апоптозом. Помимо молекулярных изменений наблюдаются нарушения электрической активности нейрональных сетей мозга. В частности, они затрагивают осцилляции, соответствующие гамма-волнам (от 30 до более 100 герц) при электроэнцефалографии (ЭЭГ), которые связаны с когнитивными функциями и активностью крупномасштабных нейронных сетей. В 2016 году Лихуэй Цзай (Li-Huei Tsai) с коллегами из Массачусетсткого технологического института показали, что навязывание гамма-ритма мерцающим светом уменьшает накопление бета-амилоида и вызывает ответ глии у мышей с моделью болезни Альцгеймера, причем наибольший эффект дает частота 40 герц. Дальнейшие эксперименты показали, что подобное воздействие улучшает когнитивные способности у таких животных, а усиливает его добавление звуковых стимулов той же частоты. После нескольких уточняющих исследований новой методики, получившей название GENUS (Gamma ENtrainment Using Sensory stimulation, навязывание гамма-ритма сенсорной стимуляцией), Цзай с коллегами приступили к пилотным клиническим испытаниям на людях. В I фазе безопасность разовой кратковременной аудиовизуальной стимуляции с частотой 40 герц и ее способность навязывать мозгу заданный ритм проверили на 25 здоровых добровольцах, 16 человеках с умеренной деменцией из-за болезни Альцгеймера и двух пациентах с вживленными по причине эпилепсии внутричерепными электродами (они позволили проводить непосредственный мониторинг активности отделов мозга). Выяснилось, что такое воздействие эффективно захватывает ритм как областей коры (включая островковую долю и прямую извилину), так и подкорковых структур (гиппокампа и миндалевидных тел) без значимых побочных эффектов. Во IIA фазе приняли участие 15 пациентов с умеренной деменцией, предположительно вызванной болезнью Альцгеймера. Случайным образом их распределили в основную и контрольную группы. Для проведения GENUS добровольцам выдали для домашнего пользования планшеты iPad на белой светодиодной подложке, которая мерцает с частотой 40 герц; с ней синхронизирован звуковой генератор. Аналогичные устройства для контрольной группы испускали ровный свет и белый шум. Всех участников проинструктировали просматривать на планшете видео с включенной аудиовизуальной стимуляцией в течение примерно часа в день. Эксперимент планировали продолжать полгода, однако из-за эпидемии ковида его пришлось сократить до трех месяцев. Переносимость процедуры и приверженность к лечению оказались удовлетворительными в обеих группах. К концу исследования у получавших GENUS по сравнению с плацебо наблюдались менее выраженные расширение желудочков мозга и атрофия гиппокампа по данным МРТ и более высокая плотность функциональных связей в сети пассивного режима работы мозга и медиальной визуальной сети по данным функциональной МРТ. Кроме того, добровольцы из основной группы лучше справлялись с тестом на ассоциативную память и отличались более упорядоченным режимом дня по данным актиграфии. Статистически значимой разницы в когнитивных функциях между группами не наблюдалось, однако исследователи и не рассчитывали на изменения соответствующих показателей при относительно коротком курсе лечения. Цзай подчеркнула, что результаты пилотных исследований следует интерпретировать очень осторожно из-за небольшой выборки и малой продолжительности. Тем не менее, совместно с коллегой Эдом Бойденом (Ed Boyden) она основала компанию Cognito Therapeutics, которая инициировала более крупные мультицентровые испытания для оценки эффективности сенсорной стимуляции при болезни Альцгеймера. Нейродегенеративные заболевания, включая болезнь Альцгеймера, по своей природе многофакторны, из-за чего фармпрепараты с узконаправленным механизмом действия оказываются недостаточно эффективными и показывают противоречивые результаты в ходе испытаний — об этом можно почитать в блоге «В мире сложных решений: почему у нас нет лекарств от болезни Альцгеймера». Итальянским исследователям удалось обнаружить в обыкновенном хмеле (Humulus lupulus) набор веществ, которые действуют на разные патологические процессы, лежащие в основе подобных заболеваний, однако клиническую оценку их эффективности пока не проводили.