Menu Close

Efekty kwantowe – klucz do elektroniki DNA

Wzory DNA, które kodują nasze geny, mogą być również stosowane do dostrajania przepływu prądu i doprowadzić w przyszłości do rozpowszechnienia elektroniki opartej na DNA – komponentach o wiele drobniejszych niż upakowane w obecnych krzemowych chipach komputerowych.
Zespół kierowany przez Nongjian Tao z Arizona State University opisuje w jaki sposób wzór zasad (A, C, G lub T) może sprawić, że przepływ energii elektrycznej, przez DNA będzie równie skuteczny jak za pośrednictwem metalowego przewodnika czy półprzewodnika.
Pogląd ten oparty jest na wykorzystaniu kwantowej natury elektronu – elektrony bowiem zachowują się jak fale lub cząstki poruszając się po nici DNA.
Przez dziesięciolecia inżynierowie umieszczali coraz więcej elementów obwodów elektronicznych w chipach komputerowych wykonując ich coraz mniejsze poszczególne składniki, takie jak np. tranzystorowe “przełączniki”.
Problemem jest fakt, że miniaturyzacja nie może trwać wiecznie. W końcu dochodzi się do granicy, gdzie sąsiednie tranzystory interferują ze sobą. Aby wyjść poza ograniczenia krzemu, naukowcy spoglądają w kierunku elektroniki pojedynczych cząsteczek. DNA jest jedną z najbardziej obiecujących dla elektroniki molekuł – po raz pierwszy odkryte i zastosowane przez naturę prawie 3,8-mld lat temu.
Kluczowymi zaletami DNA są jego stabilność i sposób w jaki może być zaprogramowane do montażu gotowych struktur. W 2009 roku, na przykład, naukowcy wykorzystali DNA jako rodzaj płytki drukowanej do montażu elementów elektronicznych sześciu nanometrów – znacznie mniejszych niż pozwala na to obecna technologia krzemowa.
DNA ma również interesująca przewodność elektryczną, choć jej zmierzone właściwości różnią się nieco, w nie do końca zrozumiały sposób.
W roku 2014r. na przykład, naukowcy opracowali przewodniki oparte na DNA wykazując, że może przewodzić prąd podobnie jak metale, a kwietniu tego roku, naukowcy z University of Georgia wykonali najmniejszą na świecie diodę (jedną z podstawowych części elektronicznych znajdujących szerokie zastosowanie m.in. w komputerach) złożoną zaledwie z 11 par zasad nici DNA. W przypadku tym, DNA wykazuje właściwości półprzewodnika.
Nowe badania pozwalają zrozumieć, dlaczego cząsteczka DNA może mieć tak różne właściwości (metalu albo półprzewodnika). Przyczyna tego tkwi, podobnie jak w naszym genomie, w strukturze baz ACGT wzdłuż łańcucha DNA.
Każda podstawowa para ma różną przewodność elektryczną, lecz tworzenie przewodzącego DNA to nie tylko kwestia włożenia odpowiednio długiej sekwencji najlepiej przewodzącej podstawy. Zespół Tao zdał sobie sprawę, że potrzebne jest stworzenie schematu podstaw dzielących między sobą wspólne elektrony – w sposób podobny do tego jak są one dzielone w metalu. Na przykład, układając w serii na przemian pięć podstaw guaniny (G) utworzymy najlepszą przewodność elektryczną.
Ponieważ elektrony są współużytkowane przez podstawy, to mogą się łatwo poruszać w DNA dzięki efektowi tunelowania kwantowego (dziwny efekt kwantowy pozwalający cząstkom na “przechodzenie przez ściany”), a gdy DNA jest zakodowane w innych układach, to elektrony poruszają się jak cząstki, przeskakując wzdłuż nici.
“Pomyśl np. o próbie przejścia przez rzekę”, mówi Limin Xiang, który jest współautorem pracy. “Można przejść na drugą stronę szybko, po moście lub próbować skakać z jednego kamienia na drugi.”
Zespół potwierdził teorię poprzez podłączenie nici DNA do pary dwóch złotych elektrod i mierząc ich oporność pod małym prądem.
Stosując tę wiedzę, naukowcy mogą projektować układy oparte na DNA różnych cząsteczek działających jak różne elementy elektroniczne (druty, diody, rezystory i tak dalej).
Do tej pory zespół przetestował tylko nitki o długości do 16 par zasad. Czy można zbudować solidne, i trwałe urządzenia okaże się w najbliższej przyszłości.
Mało prawdopodobne jest by elektronika molekularna mogła zastąpić urządzenia półprzewodnikowe w najbliższym czasie. Istotnym jest jednak, że cząsteczki mogą wykonywać szereg zadań, które wykraczają poza możliwości półprzewodników, takie jak np. wykrywanie środowiska chemicznego, a projektowanie DNA może stanowić podstawę nowego rodzaju specjalistycznych urządzeń, takich jak np. elektroniczne nosy. .

Wg. Cosmos Magazine

Leave a Reply

Your email address will not be published.