Нанопроводники из молекул ДНК

Авторы и источники / Правообладателям

За последние годы основные элементы компьютерных чипов уменьшились до 14 нм, но сейчас благодаря современным методам возможно сокращение физических пределов до размеров ниже этого значения. Альтернативой могла бы стать самоорганизация сложных компонентов из молекул и атомов. Тоньше, чем вирус СПИДа - такова в настоящее время окружность самых маленьких транзисторов.

Учёные из Центра имени Гельмгольца Дрезден - Россендорф (Helmhotz - Zentrum  Dresden - Rossendorf - HZDR) г. Дрезден, Германия, который входит в Объединение немецких научно-исследовательских центров имени Гельмгольца и университета в г. Падерборн, Германия (Paderborn University), сообщили о важном достижении в этой области.  Группа учёных, возглавляемая г-ном Безу Тешоме (Bezu Teschome) и г-ном Артуром Эрбе (Artur Erbe), нашла способ нанесения золотого покрытия на нанопроводники, изготовленные из отрезков молекул ДНК, через которые они пропустили ток. Результаты этих исследований опубликованы в научном журнале Langmuir.

Управление последовательностью сборки молекулы ДНК осуществляется путем добавления в раствор ионов определенных химических элементов и изменения температуры раствора, что позволяет создавать из ДНК трехмерные объекты крайне сложной формы. Из ДНК собирается что-то наподобие нанотрубок, а потом вдоль получившихся нанотрубок располагаются наночастицы золота. Таким образом, удается создать нанопроводник, который еще необходимо запитать электрическим током. Это уже происходит под увеличением высокоточного электронного микроскопа. В результате всех вышеперечисленных манипуляций получаются полностью работающие схемы, из которых уже можно собирать узлы «генетического компьютера».

Как отмечает г-н Безу Тешоме, изготовленные учёными золотые ДНК-нанопроводники способны проводить достаточно большой для их размера ток. А в будущем планируется разработать ДНК-нанопроводники со сложной структурой, имеющие несколько ответвлений, с помощью которых можно будет соединять большое количество деталей в целые схемы, и впоследствии собирать сложнейшие схемы генетического компьютера, состоящего из одной или сплетения нескольких длинных молекул ДНК.

Г-н Артур Эрбе (Artur Erbe) из Института ионно-лучевой физики и материаловедения (Institute of Ion Beam Physics and Material Research), находящегося в г. Дрезден, Германия, и тоже входящего в Объединение имени Гельмгольца, утверждает, что проведённые измерения подтвердили прохождение электрического тока через эти крошечные провода. Это не обязательно является самоочевидным, как подчёркивает учёный. Мы, в конце концов, имеем дело с компонентами, выполненными из модифицированных ДНК.

Как полагает г-н Артур Эрбе, главным преимуществом использования ДНК является то, что при ее помощи можно быстро создавать очень сложные схемы на наноразмерном уровне. Производство сложных схем является возможным благодаря технологии, называемой ДНК-оригами, которая позволяет создавать сложные пространственные структуры путем контролируемого и программируемого процесса «самосборки». Для того чтобы изготовить нанопровода, немецкие учёные объединили одну длинную нить генетического материала с более короткими сегментами ДНК через базовые пары, образующие стабильную двойную нить. Используя этот метод, структуры самостоятельно принимают желаемую форму. С помощью такого подхода, напоминающего японскую технику оригами, и поэтому называемую "ДНК-оригами", можно создавать крошечные схемы, даже исключительно маленькие цепи из молекул и атомов.

Такая стратегия, которую учёные называют методом "bottom-up" (вверх дном), имеет целью перевернуть традиционное производство электронных компонентов с ног на голову. До сих пор применялся метод, известный как "top-down" (сверху вниз). Большие части отрезаются от базового материала, пока не будет достигнута желаемая структура. Скоро это больше не будет возможно из-за непрерывной миниатюризации. Новый подход ориентирован на природу: молекулы, которые образуют сложные структуры с помощью процессов самосборки. Создаваемые таким образом элементы будут существенно меньше, чем сегодняшние тончайшие компоненты компьютерных чипов.

Теоретически можно было бы изготавливать ещё меньшие цепочки с меньшими усилиями. Однако существует одна проблема: генетический материал не достаточно хорошо проводит ток, как отмечает г-н Эрбе. Поэтому он и его коллеги поместили плакированные золотом наночастицы на ДНК-проводники, используя химические связи. Используя метод "top-down" - литография электронным лучом - они впоследствии создали контакт с отдельными проводами электронным способом. До настоящего времени такое соединение между электродами существенно большего размера и отдельными структурами ДНК сопровождалось техническими трудностями. Эта проблема может быть решена путём объединения двух методов. Таким образом, впервые учёные смогли очень точно определить перенос заряда через отдельные проводники.

Как показали результаты испытаний, проведённых дрезденскими учёными, ток действительно проходит по позолоченным проводам, но он, однако, зависит от окружающей температуры. Перенос заряда одновременно сокращается по мере снижения температуры. При нормальной комнатной температуре проводники функционируют достаточно хорошо, даже если электроны частично перепрыгнут с одной частицы золота на следующую, так как они не полностью сплавились вместе. Расстояние, тем не менее, настолько мало, что его не видно даже при использовании самых современных микроскопов. Для того чтобы улучшить проводимость, команда учёных под руководством г-на Артура Эрбе намеревается ввести проводящий полимер между частицами золота. Учёные полагают, что процесс металлизации также может быть усовершенствован. При этом учёные в целом удовлетворены полученными результатами: они смогли продемонстрировать, что позолоченные ДНК-проводники способны передавать энергию. Пока ещё учёные находятся на начальном этапе исследования, поэтому они используют золото, а не более экономически выгодные металлы. Тем не менее, сделан важный шаг на пути создания будущих электронных устройств на основе ДНК.