ДНК — это план жизни. Может ли он стать шаблоном для создания компьютерных микросхем нового поколения, основанных не на кремнии, а на экспериментальном материале, известном как графен?Это теория, лежащая в основе процесса, которую профессор химической инженерии Стэнфордского университета Чжэнань Бао раскрывает в Nature Communications.
Бао и ее соавторы, бывшие научные сотрудники Анатолий Соколов и Фунг Лин Яп, надеются решить проблему, омрачающую будущее электроники: потребители ожидают, что кремниевые чипы будут и дальше становиться меньше, быстрее и дешевле, но инженеры опасаются, что этот благотворный цикл может затормозить до полной остановки.Почему это связано с тем, как работают кремниевые чипы.Все начинается с понятия полупроводника, типа материала, который можно заставить проводить или останавливать поток электричества.
Кремний долгое время был самым популярным полупроводниковым материалом, используемым для изготовления микросхем.Основным рабочим элементом микросхемы является транзистор. Транзисторы — это крошечные вентили, которые включают или выключают электричество, создавая нули и единицы, запускающие программное обеспечение.Чтобы создать более мощные микросхемы, дизайнеры сделали две вещи одновременно: они уменьшили размер транзисторов, а также заставили их открываться и закрываться все быстрее и быстрее.
Конечным результатом этих действий стало сосредоточение большего количества электроэнергии в уменьшающемся пространстве. Пока что производятся маленькие, более быстрые и дешевые чипы.
Но в определенный момент тепло и другие формы помех могут нарушить внутреннюю работу кремниевых чипов.«Нам нужен материал, который позволит нам создавать транзисторы меньшего размера, которые будут работать быстрее и потреблять меньше энергии», — сказал Бао.Графен обладает физическими и электрическими свойствами, чтобы стать полупроводниковым материалом следующего поколения — если исследователи смогут найти способ его массового производства.Графен представляет собой одинарный слой атомов углерода, расположенных в виде сот.
Визуально он напоминает проволочную сетку. Электрически эта решетка из атомов углерода является чрезвычайно эффективным проводником.
Бао и другие исследователи полагают, что ленты графена, уложенные бок о бок, могут создавать полупроводниковые схемы. По ее словам, с учетом крошечных размеров материала и хороших электрических свойств графеновые наноленты могут создавать очень быстрые микросхемы, работающие с очень низким энергопотреблением.
«Однако, как можно догадаться, создание чего-то толщиной всего в один атом и шириной от 20 до 50 атомов является серьезной проблемой», — сказал соавтор Соколов.Чтобы справиться с этой проблемой, команда Стэнфорда пришла к идее использовать ДНК в качестве механизма сборки.Физически нити ДНК длинные и тонкие, и существуют примерно тех же размеров, что и графеновые ленты, которые исследователи хотели собрать.
Химически молекулы ДНК содержат атомы углерода — материала, из которого формируется графен.Настоящая уловка заключается в том, как Бао и ее команда задействуют физические и химические свойства ДНК.Исследователи начали с крошечной пластины кремния, служившей опорой (подложкой) для своего экспериментального транзистора.
Они окунули силиконовый диск в раствор ДНК, полученной из бактерий, и использовали известную технику, чтобы выстроить нити ДНК в относительно прямые линии.Затем ДНК на пластине подвергали воздействию раствора соли меди. Химические свойства раствора позволили ионам меди абсорбироваться в ДНК.Затем блюдо нагревали и окунали в газообразный метан, содержащий атомы углерода.
И снова в игру вступили химические силы, которые помогли процессу сборки. Тепло вызвало химическую реакцию, которая освободила некоторые атомы углерода в ДНК и метане.
Эти свободные атомы углерода быстро соединились, образуя стабильные соты из графена.«Свободные атомы углерода оставались рядом с тем местом, где они отделялись от нитей ДНК, и поэтому они образовывали ленты, которые следовали структуре ДНК», — сказал Яп.
Итак, первая часть изобретения связана с использованием ДНК для сборки углеродных лент. Но исследователи также хотели показать, что эти углеродные ленты могут выполнять электронные задачи.
Поэтому они сделали транзисторы на ленточках.«Мы впервые продемонстрировали, что с помощью ДНК можно выращивать узкие ленты, а затем создавать рабочие транзисторы», — сказал Соколов.Доклад получил похвалу от доцента Калифорнийского университета в Беркли Али Джэйви, эксперта в области использования современных материалов и электроники следующего поколения.«Этот метод очень уникален и позволяет использовать ДНК как эффективную матрицу для контролируемого роста электронных материалов», — сказал Джэйви. «В этом отношении проект направлен на решение важных исследовательских задач в этой области».
Бао сказал, что процесс сборки требует большой доработки. Например, не все атомы углерода образовывали сотовые ленты толщиной в один атом. В некоторых местах они сгруппировались в неправильные узоры, из-за чего исследователи назвали материал графитом, а не графеном.Несмотря на это, процесс, на разработку которого около двух лет, указывает на стратегию превращения этого углеродного материала из диковинного предмета в серьезного претендента на замену кремнию.
«Наш метод изготовления на основе ДНК хорошо масштабируется, предлагает высокое разрешение и низкую стоимость производства», — сказал соавтор Яп. «Все эти преимущества делают метод очень привлекательным для промышленного применения».Эксперимент частично поддерживался Национальным научным фондом и Стэнфордской программой по глобальному климату и энергии.