Los científicos constantemente buscan inspiración en la naturaleza para desarrollar tecnología. En el caso de los modelos que se utilizan para fabricar chips, encontramos al cerebro. Su enorme capacidad para procesar grandes cantidades de datos a través de la sinapsis lo hacen un excelente ejemplo.

Ahora, un estudio de investigadores de la Texas A&M University ha descrito un nuevo material que captura el patrón de actividad eléctrica en la sinapsis. Los resultados fueron publicados en el Journal of the American Chemical Society.

Al igual a la forma en que una célula nerviosa produce un pulso de corriente oscilante dependiendo del historial de actividad eléctrica en su sinapsis, los investigadores afirman que su material oscila de metal a aislante a una temperatura de transición decidida por el historial térmico del dispositivo.

Dióxido de vanadio

Los materiales se clasifican generalmente en metales o aislantes dependiendo de si conducen calor y electricidad. Pero algunos materiales, como el dióxido de vanadio, tienen doble función. A ciertas temperaturas, actúa como un aislante, resistiendo el flujo de calor y las corrientes eléctricas. Sin embargo, cuando se calienta a 67° C, el dióxido de vanadio sufre un cambio en sus propiedades internas, convirtiéndose en un metal.

Estas oscilaciones a causa de la temperatura hacen que el dióxido de vanadio sea un candidato ideal para los sistemas electrónicos inspirados en el cerebro. Las neuronas también producen una corriente oscilatoria, llamada potencial de acción.

Asimismo, las neuronas combinan sus entradas en la sinapsis. Esta integración aumenta el voltaje de su membrana de modo constante, acercándola a un valor umbral. Cuando se cruza este umbral, estas células disparan un potencial de acción.

“Una neurona puede recordar en qué voltaje se encuentra su membrana y, dependiendo de dónde esté su voltaje de membrana con respecto al umbral, la célula se activará o permanecerá inactiva”, explicó el profesor Sarbajit Banerjee uno de los autores principales del estudio.

Temperaturas de transición

El equipo quería modificar la propiedad del dióxido de vanadio para que conserve en su memoria algo de lo cerca que está de la temperatura de transición. Así, ellos podrían comenzar a imitar lo que sucede en la sinapsis de las neuronas biológicas.

Las temperaturas de transición para un material dado generalmente son fijas a menos que se agregue una impureza, llamada dopante. Esta impureza puede mover la temperatura de transición dependiendo de su tipo y concentración dentro del dióxido de vanadio

No obstante, el objetivo del equipo fue imbuir un medio para ajustar la temperatura de transición hacia arriba o hacia abajo de manera que refleje no solo la concentración del dopante sino también el tiempo transcurrido desde que se reinició. Descubrieron que esta flexibilidad solo era posible al usar boro.

Luego de agregar boro al dióxido de vanadio, el material pasó de ser un aislante a un metal. Pero la temperatura de transición ahora dependía del tiempo que permaneciera en un nuevo estado metaestable creado por el boro.

Aplicaciones futuras

Su sistema es un paso inicial para imitar una sinapsis biológica, por tal motivo actualmente se siguen realizando más experimentos. Por ejemplo, quieren introducir más dinamismo en el comportamiento del material mediante el control de la cinética del proceso de relajación del dióxido de vanadio

En un futuro cercano, el profesor Xiaofeng Qiang, colaborador de Banerjee en este proyecto, planea ampliar la investigación actual explorando las estructuras atómicas y electrónicas de otros compuestos de dióxido de vanadio más complejos. Además, el equipo colaborativo también investigará la posibilidad de crear otros materiales neuromórficos con dopantes alternativos.

Esta información puede proporcionar varias herramientas que ajusten aún más las propiedades de este tipo de materiales neuromórficos. Las aplicaciones son inimaginables en este momento.