В своей статье, опубликованной в Nature Communications, команда продемонстрировала, что изменение структуры двойной спирали ДНК путем изменения ее окружающей среды позволяет обратимо контролировать проводимость (легкость, с которой проходит электрический ток). Эта способность структурно модулировать свойства переноса заряда может позволить создавать уникальные наноустройства на основе ДНК. Эти устройства будут работать с использованием совершенно иной парадигмы, чем сегодняшняя традиционная электроника.«По мере того, как электроника становится меньше, ее производство становится все сложнее и дороже, но устройства на основе ДНК можно разрабатывать снизу вверх, используя методы направленной самосборки, такие как« ДНК-оригами », — сказал Джош Хайхат, доцент кафедры электротехники. и компьютерная инженерия в Калифорнийском университете в Дэвисе и старший автор статьи.
ДНК-оригами — это складывание ДНК для создания двух- и трехмерных форм на наноразмерном уровне.«Значительный прогресс был достигнут в понимании механических, структурных свойств и свойств самосборки ДНК, а также в использовании этих свойств для проектирования структур в наномасштабе. Однако электрические свойства, как правило, было трудно контролировать», — сказал Хайат.Новый поворот ДНК?
Возможные парадигмы вычисленийПомимо потенциальных преимуществ при изготовлении на наномасштабном уровне, такие устройства на основе ДНК могут также повысить энергоэффективность электронных схем. Размер устройств значительно уменьшился за последние 40 лет, но по мере уменьшения размера удельная мощность на кристалле увеличилась. Ученые и инженеры изучают новые решения для повышения эффективности.
«Нет причин, по которым вычисления должны выполняться с использованием традиционных транзисторов. Ранние компьютеры были полностью механическими, а позже работали на реле и электронных лампах», — сказал Хайат. «Переход на электромеханическую платформу может в конечном итоге позволить нам повысить энергоэффективность электронных устройств на наноуровне».
Эта работа демонстрирует, что ДНК способна работать как электромеханический переключатель и может привести к новым парадигмам для вычислений.Чтобы превратить ДНК в обратимый переключатель, ученые сосредоточились на переключении между двумя стабильными конформациями ДНК, известными как A-форма и B-форма. В ДНК B-форма представляет собой обычный дуплекс ДНК, который обычно ассоциируется с этими молекулами.
А-образная форма — более компактная версия с другим шагом и наклоном между парами оснований. Воздействие этанола заставляет ДНК принимать конформацию А-формы, что приводит к повышенной проводимости. Точно так же, удалив этанол, ДНК может переключиться обратно в B-форму и вернуться к своему первоначальному уменьшенному значению проводимости.
Один шаг к молекулярным вычислениямАвторы также отметили, что для того, чтобы превратить это открытие в технологически жизнеспособную платформу для электроники, предстоит еще много работы. Хотя это открытие представляет собой принципиальную демонстрацию электромеханического переключения в ДНК, в области молекулярной электроники, как правило, еще предстоит преодолеть два основных препятствия. Во-первых, миллиарды активных молекулярных устройств должны быть интегрированы в ту же схему, что и обычная электроника.
Далее, ученые должны иметь возможность индивидуально подключать определенные устройства к такой большой системе.«В конце концов, аспект этой работы, связанный со стробированием окружающей среды, должен быть заменен механическим или электрическим сигналом, чтобы локально адресовать отдельное устройство», — отметил Хихат.