Schwedische Wissenschaftler haben den ersten chemischen Schaltkreis der Welt konstruiert. Ihr System funktioniert im Prinzip wie ein elektronischer Schaltkreis, arbeitet allerdings mit positiv und negativ geladenen Ionen und eignet sich deshalb auch für wässrige und salzreiche Medien wie dem menschlichen Körper. Das Team um Klas Tybrandt von der Universität Linköping schaltete spezielle chemische Transistoren zu logischen Gattern zusammen, die die logische Operation NAND durchführen – bei der das Gatter ein Signal ausgibt, wenn mindestens ein Eingangsbit den Wert 0 hat – und die Voraussetzung dafür sind, beliebige Berechnungen durchzuführen. Solche Schaltkreise könnten in Zukunft spezifische Ausgangssignale erzeugen, mit denen sich biologische Systeme wie Muskeln und Nerven in ihrer eigenen chemischen Sprache ansteuern lassen.

Chemischer Transistor
© Tybrandt, K. et al.: Logic gates based on ion transistors. In: Nature Communications 3, Art. 871, 2012, fig. 1a
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Die Transistoren des schwedischen Teams bestehen aus selektiven Membranen, die jeweils nur positiv oder negativ geladene Teilchen hindurchfließen lassen. Eine Membran besteht aus einem Polymer, das geladene Gruppen trägt, während sich die entgegengesetzt geladenen Ionen frei durch das Material bewegen können. Die hohe Konzentration der festsitzenden Ladungen im Polymer bewirkt, dass gleich geladene Teilchen draußen bleiben müssen. Zwei dieser Membranen bilden Kollektor und Emitter des Transistors und sind durch einen schmalen Spalt aus einem isolierenden Polymer getrennt. Gesteuert wird der Transistor durch einen Streifen einer Membran, die Ionen entgegengesetzter Ladung passieren lässt und diese in den Spalt zwischen den anderen Membranen injiziert – in diesem Fall fließt ein Ionenstrom zwischen Emitter und Kollektor.

Die Forscher schalteten bis zu vier solcher Transistoren in einem ionischen Schaltkreis zusammen und demonstrierten, dass das entstehende logische Gatter funktioniert wie das elektronische Vorbild – abgesehen von einem ganz erheblichen Nachteil: Die Schaltzeiten der Transistoren liegen derzeit noch bei weit über einer Minute, berichten Tybrandt und Kollegen. Geeignete Materialien stünden allerdings schon bereit, um die Bauteile schneller zu machen.