«Живая» электроника. Неужели это возможно?

Проникновение научных инженерно-технических решений, созданных на основе и под впечатлением от изящных и вместе с тем изощрённых приёмов живой природы, стало уже практически повсеместным. В предыдущей статье мы рассматривали открытие способа создания самовосстанавливающихся материалов. Теперь же, наряду с успехом учёных из университета Саутгемптона (Великобритания), создавших из кварцевого стекла подобие компакт-диска, способное оптическим способом вместить до 500 терабайт пятимерного массива данных, появилась ещё одна инновация в информационно-технической сфере. И как раз она расположилась на стыке материаловедения и электроники.

Речь идёт о способности к самовосстановлению в одномолекулярном электронном устройстве. Это стало возможным благодаря потенциалу структурных свойств… ДНК – основополагающего инженера-проектировщика окружающего нас биоразнообразия.

Электрические свойства ДНК исследуются в области молекулярной электроники уже давно и весьма широко. В опробованных подходах используются одиномолекулярные соединения, в которых молекула ДНК перекрывает наноразмерный разрыв между металлическими электродами. Были также найдены методы соединения молекулы ДНК в сложной структуре, демонстрирующие превосходную функциональность для расщепителя заряда. Но – несмотря на все успехи – работы по этой теме до сих пор ограничены сосредоточенностью на – как пишут авторы исследования из Токийского технологического института в своей статье в Nature Communications – «явлениях переноса в статической структуре при термодинамическом равновесии».

Это означает, что свойства структур ДНК высшего порядка (как и претерпеваемые ими в связи с созданием одномолекулярных электронных устройств метаморфозы), пока изучены далеко не полностью. Такое положение дел связано с важным ограничением, заключающимся в резком уменьшении проводимости одной молекулы с увеличением её длины. Поэтому для электрических измерений были доступны лишь очень короткие ДНК.

Но давайте по порядку.

В каждом развитом организме молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты образует генетический код, который, собственно, и делает что-то «живым». Можно сказать, что эта функция является основополагающим рубежом между двумя состояниями природы. Однако современные технологии выводят ДНК ещё дальше – на один шаг за пределы живой материи. Учёные установили, что сложные структуры ДНК позволяют использовать её в электронных устройствах с соединениями, состоящими только из одной молекулы ДНК. 

Но тут, как и в случае с любым амбициозным начинанием, есть препятствия, которые необходимо преодолеть. Как было сказано, с увеличением длины единичной молекулы наблюдается резкое снижение её проводимости, что делает возможными измерения только чрезвычайно коротких участков ДНК. Но есть ли способ обойти эту проблему?

Японские исследователи решили использовать для молекулы ДНК конфигурацию «застёжки-молнии», и с помощью длинного соединения на столь экзотичной основе им удалось достичь необычайно высокой проводимости. Мало того, у находки оказался ещё один, грандиозный по своему значению, плюс: в таком виде у молекулы появилась замечательная способностью к самовосстановлению при электрическом сбое.

«Мы исследовали перенос электронов через соединение одной молекулы ДНК «застёжки-молнии», которая ориентирована перпендикулярно оси наноразрыва между двумя металлами, – объясняет доктор Томоаки Нишино из Tokyo Tech, – Это соединение одной молекулы отличается от обычного не только конфигурацией ДНК, но и ориентацией относительно оси нанощели».

Чтобы сформировать структуру, похожую на молнию, были созданы 10-мерная и 90-мерная нити ДНК (эта мерность указывает количество нуклеотидов – основных строительных блоков ДНК, составляющих длину молекулы). В процессе эти молекулы прикреплялись к поверхности золота и к металлическому наконечнику сканирующего туннельного микроскопа – инструмента, используемого для вывода изображения поверхностей атомарного масштаба (его работа похожа на то, как люди читают шрифт брайля). Пространство между наконечником и золотой поверхностью и составляло тот самый «наноразрыв», который был модифицирован молекулой ДНК конфигурации «застёжка-молния».

Таким образом, измеряя величину так называемого туннельного тока, проходящего через этот наноразрыв, команда оценила проводимость соединений ДНК в сравнении с таким же разделением, но уже лишённым ДНК-застёжки. Помимо этого, чтобы придать осмысленность и научную стройность своим результатам в свете лежащей в основе динамики «распаковки» соединений, была смоделирована молекулярная динамика.

К своему удовольствию, исследователи обнаружили, что соединение одной молекулы с 90-мерной длинной ДНК показало беспрецедентно высокую проводимость. Буквально. Моделирование показало, что в какой-то степени это наблюдение можно отнести к системе делокализованных (блуждающих, странствующих) π-электронов, которые могут свободно перемещаться в молекуле. 

Но это ещё не всё. Моделирование также предложило кое-что куда более интересное: после электрического сбоя, спонтанно, соединение одной молекулы могло переходить от «расстёгнутого» состояния к «застёгнутому». То есть фактически восстанавливать себя! Это показало, что соединение одной молекулы было одновременно эластичным, выносливым и легко воспроизводимым. Наблюдения и повторения эксперимента позволяют сделать вывод, что спонтанное «застёгивание» оснований объясняется восстановлением молекулярного дуплекса, а не внешней силой, исходящей, например, от наконечника сканирующего туннельного микроскопа.

«Мы находим привлекательной способность к самовосстановлению, заключающуюся в том, что соединение одиночных молекул может неоднократно формироваться без полного структурного нарушения даже после электрического сбоя, – пишут авторы в статье. – Стратегия застёгивания ДНК обеспечивает основу для новых конструкций соединений одиночных молекул».

После этих изумительных приключений учёные ещё больше воодушевлены своими планами по будущему развитию ответвлений в области электронных ДНК-технологий, ведь устройство на основе «геномной молнии» открывает двери для разработки новых устройств наноэлектронного порядка. Это практически непаханое поле для новых идей, полезных и нетривиальных в основе своей решений.

«Стратегия, представленная в нашем исследовании, могла бы обеспечить основу для инноваций в наноразмерной электронике с превосходным дизайном одномолекулярной электроники, которая, вероятно, могла бы произвести революцию в нанобиотехнологиях, медицине и смежных областях», –делится оптимизмом доктор Нишино.

АРМК, по материалам Tokyo Tech.