DNA ontmoet elektronica | Grafeen (graphene)
DNA ontmoet elektronica

DNA-moleculen bevatten de genetische instructies essentieel voor de ontwikkeling en functie van levende organismen, maar nieuw onderzoek suggereert dat ze ook een belangrijke rol kunnen spelen in de toekomst van computerchips.

DNA, wat voor staat voor DeoxyriboNucleic Acid (desoxyribonucleïnezuur), is de blauwdruk van het leven. Het doelt op het genetisch materiaal van een cel.

DNA-moleculen worden gevormd in een dubbele ‘hexagonaal’ gestructureerde helix, het zijn twee lange strengen opgerold rond elkaar (de hexagon regelt de organisatorische vorm van de purine-en pyrimidine basen, subeenheden van de nucleotiden die deel uitmaken van de ketens van de DNA dubbele helix macromolecule). Naast zijn rol in DNA en grafeen bepaalt de hexagon ook menig structuur van andere organische moleculen.

Zeer recent kwam een onderzoeksteam van Stanford University met een nieuwe manier om met het super-sterke, halfgeleidermateriaal bekend als grafeen, te werken. Grafeen, in kort ‘G’, is een atoom dik vel bestaande uit hexagonaal gestructureerde koolstofatomen.

Ingenieurs geloven dat grafeen een betere halfgeleider zou zijn dan silicium, en nieuw onderzoek geleid door Stanford professor Zhenan Bao suggereert dat de nucleotide polymeren die onze genetische code bevatten kunnen helpen bij het samenstellen van grafeen transistors.

Het begint eigenlijk bij het concept van de halfgeleider, een soort materiaal waar de stroom van elektriciteit kan voeren of stoppen. Silicium is al lange tijd het meest populaire halfgeleidermateriaal dat gebruikt wordt om chips te maken. De fundamentele werkeenheid op een chip is de transistor, kleine poorten die elektriciteit uitschakelen en helpen bij het creëren van de nullen en enen die software laten draaien. (lees meer)

Het idee is om DNA te gebruiken als een platform voor de massa productie van nauwkeurig ontworpen linten van grafeen, en het doel is om deuren te openen naar een nieuw tijdperk van super-efficiënte, super-kleine, ultra-snelle elektronische apparaten.

De Stanford onderzoekers geloven dat linten van de enkel-atoom-dikke stof halfgeleiderschakelingen kunnen maken als ze zij per zij worden aangelegd.

Als gevolg van grafeen’s verwaarloosbare afmetingen en gunstige elektrische eigenschappen beweren ze dat deze nano-linten kunnen dienen om chips te bouwen die extreem snel zijn, maar minder kracht vergen om te bedienen.

“Echter, zoals men zou denken, het maken van iets dat slechts een atoom dik is en 20 tot 50 atomen breed is een grote uitdaging,” zegt co-auteur Anatoliy Sokolov. Om die hindernis te overwinnen, kwamen de onderzoekers met het idee van het gebruik van DNA als een assemblage-mechanisme, voegde Abate toe.

DNA strengen zijn lang en dun en delen ongeveer dezelfde afmetingen als de grafeen linten die Bao en haar medewerkers trachtten te verwezenlijken. Ze bevatten ook koolstof-atomen, en dat is nu net waaruit grafeen ook bestaat. Grafeen biedt dus fysieke en chemische voordelen.

Met zowel de fysieke en chemische voordelen in acht genomen, namen de onderzoekers een klein monster van silicium dat hoeft te dienen als ondersteuning voor de experimentele transistors. Ironisch, als men bekijkt dat silicium net de stof is die men oogt te vervangen.

Onderzoekers dompelden het silicium plaatje in een oplossing van DNA afkomstig uit bacteriën en gebruikten een bekende techniek om de DNA strengen tot relatief rechte lijnen te kammen.

De volgende stap was koperionen introduceren, zo werd het DNA op het plaatje blootgesteld aan een koperzoutoplossing. De chemische eigenschappen van de oplossing lieten de koperionen toe te worden opgenomen in het DNA.

Daarna werd het plaatje verwarmd en overspoeld met methaangas, ook in het bezit van koolstofatomen. De warmte trad op als een katalysator en hielp in het assemblageproces om sommige van deze koolstofatomen in het DNA en methaan vrij te maken. Eenmaal vrij binden die atomen vrij snel met elkaar om stabiele grafeen honingraten te vormen.

“We hebben voor de eerste keer aangetoond dat men DNA kan gebruiken om smalle linten groeien en vervolgens werkende transistors van te bouwen,” zei Sokolov.
Bao voegde eraan toe dat het proces veel verfijning vereist, maar dat het een potentiële stap voorwaarts zou kunnen zijn om van grafeengebaseerde halfgeleiders een realiteit te kunnen maken.

Hun onderzoek werd gesteund door de National Science Foundation en het Stanford Global Climate and Energy Program.

Bron: stanford.edu
Foto: Anatoliy Sokolov


3D print schaalmodel structuur grafeen