Ученые собрали графеновый транзистор из ДНК

Графен — это лист атомов углерода, выстроенных в сотовую структуру, в один атом толщиной. Известно, что графен может стать лучшим полупроводником, нежели кремний — если мы сможем сделать ленту шириной в 20-50 атомов. Возможно, нам поможет ДНК.

ДНК — это основа жизни. Но ее структура может стать шаблоном для создания нового поколения компьютерных чипов, основанных не на кремнии, а на экспериментальном материале, на исследования которого брошены огромные деньги и силы, — графене.

Связью двух этих понятий в данный момент занимается профессор химической инженерии Чжеань Бао из Стэнфорда.

Вместе с соавторами, бывшими научными сотрудниками Анатолием Соколовым и Фанг Линг Япом, Бао пытается решить проблему туманного будущего электроники: потребители ждут кремниевых чипов, которые должны становиться меньше, быстрее и дешевле, но инженеры боятся, что этот цикл однажды приостановится.

Для начала давайте разберемся с тем, как работают кремниевые чипы.

Все начинается с понятия полупроводника, типа материала, который может либо проводить электричество, либо останавливать его ток. Кремний долгое время считается самым популярным полупроводником — и не за красивые глаза. Все чипы строятся на его основе.

Основной рабочий элемент чипа — транзистор. Транзисторы это крошечные ворота, которые переключают ток электричества, создавая нули и единицы, на которых работает программное обеспечение.

Совместным результатом этих действий должно стать сосредоточение большей электроэнергии на меньшем участке пространства. Пока это получается, промышленность производит маленькие, быстрые и недорогие чипы. Но в определенной точке тепло и другие формы вмешательства могут нарушить внутреннюю работу кремниевых чипов.

«Нам нужен материал, который позволит делать меньшие транзисторы, которые будут работать быстрее и использовать меньше энергии», — говорит Бао, ничуть не стесняясь текущего положения дел.

К счастью, графен обладает достаточно внушительными физическими и электрическими свойствами, чтобы стать следующим поколением полупроводникового материала. Если только ученым удастся договориться, как же производить графеновые пластинки в огромных количествах.

Графен, как мы уже отметили, это одноатомный слой углерода, образующего ячеистую структуру. Визуально она напоминает проволочную сетку. С точки зрения электричества эта решетка атомов углерода является чрезвычайно эффективным проводником.

Бао и другие исследователи считают, что ленты графена, расположенные бок о бок, могут создавать полупроводниковые схемы. Учитывая крошечные размеры материала и приятные электрические свойства, графеновые наноленты могут стать основой для сверхбыстрых чипов, работающих на сверхнизкой мощности.

«Но, как и предполагается, сделать что-то слоем в один атом и от 20 до 50 атомов шириной — невероятно сложно», — отмечает Соколов.

Чтобы справиться с этой задачей, стэнфордская команда придумала идею с использованием ДНК в качестве механизма для сборки.

Физически цепи ДНК длинные и тонкие, а размеры их находятся в диапазоне примерно таком же, что и графеновые ленты, которые хотят сделать ученые. Химически молекулы ДНК содержат атомы углерода, из которых и состоит графен. Самое интересное в том, как Бао и ее команда хотят заставить работать физические и химические свойства ДНК.

Начнут исследователи с крошечной подложки из кремния, чтобы обеспечить поддержку (субстрат) для своего экспериментального транзистора. Кремниевую подложку они окунут в раствор ДНК, полученный из бактерий, и используют хорошо известную технику «расчесывания» ДНК в относительно прямые линии.

Затем ДНК на подложке будет выдержан в растворе соли меди. Химические свойства соли позволят ионам меди абсорбироваться ДНК. Затем подложка будет нагрета и погружена в метан, содержащий атомы углерода. Другие химические силы вступят в игру, чтобы помочь процессу сборки. Тепло вызовет химическую реакцию, которая освободит некоторые атомы углерода в ДНК и метане. Свободные атомы быстро соединятся вместе и образуют стабильные графеновые соты.

«Свободные атомы углерода будут вплотную к тому месту, где они освободились от цепочки ДНК, поэтому сформируют структуру, идентичную структуре ДНК».

Ученым удалось осуществить задуманное. Первой частью идеи было создать углеродные ленты. Но ученые также хотели показать, что эти углеродные ленты могут выполнять электронные задачи, поэтому сделали транзисторы из лент.

«Мы впервые продемонстрировали возможность использования ДНК для выращивания узких углеродных лент для создания транзисторов», — отмечает Соколов.

Бао, однако, говорит, что процесс сборки нужно чрезвычайно отточить. Например, не все атомы углерода сформировали сотовую ленту в один атом толщиной. Кое-где они сгрудились и образовали графит вместо графена.

Оптимистичные оценки говорят, что в течение двух лет процесс, предложенный тройкой стэнфордских инженеров, может встать на широкую ногу.