Mod selvgendannende elektroniske enheder med lange DNA-molekyler

Potentialet for DNA-strukturelle egenskaber i enkeltmolekyle-elektronik er endelig blevet udnyttet af forskere fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) i en enkeltmolekyle-forbindelsesenhed, der viser spontan selvgendannelsesevne. Derudover viser enheden, baseret på en "lynlås" DNA-konfiguration, ukonventionel høj elektrisk ledningsevne, hvilket åbner døre til udviklingen af ​​nye nanoelektroniske enheder.

I enhver avanceret organisme danner det molekyle, der kaldes DNA (deoxyribonukleinsyre, for at bruge dets fulde navn) den genetiske kode. Moderne teknologi tager DNA et skridt ud over levende stof; forskere har fastslået, at DNA's indviklede strukturer har gjort det muligt for det at blive brugt i nye tids elektroniske enheder med forbindelser, der kun består af et enkelt DNA-molekyle. Men som med enhver ambitiøs bestræbelse er der forhindringer at overvinde. Det viser sig, at enkeltmolekylets ledningsevne falder kraftigt med længden af ​​molekylet, så kun ekstremt korte DNA-strækninger er nyttige til elektriske målinger. Er der en måde at omgå dette problem på?

Der er faktisk foreslået forskere fra Japan i et nyt gennembrudsstudie. De har formået at opnå en ukonventionel høj ledningsevne med en lang DNA-molekyle-baseret forbindelse i en "lynlås"-konfiguration, der også viser en bemærkelsesværdig selvgendannelsesevne under elektrisk fejl. Disse resultater er blevet publiceret som en forskningsartikel i Nature Communications .

Hvordan opnåede forskerne denne bedrift? Dr. Tomoaki Nishino fra Tokyo Tech, Japan, som var en del af denne undersøgelse, forklarer:"Vi undersøgte elektrontransport gennem enkeltmolekyleforbindelsen af ​​et 'lynlås'-DNA, der er orienteret vinkelret på aksen af ​​en nanogap mellem to metaller. Denne enkelt-molekyle forbindelse adskiller sig fra en konventionel, ikke kun i DNA-konfigurationen, men også i orientering i forhold til nanogap-aksen."

Holdet brugte en 10-mer og en 90-mer DNA-streng (som angiver antallet af nukleotider, grundlæggende byggesten af ​​DNA, der omfatter molekylelængden) til at danne en lynlåslignende struktur og fastgjorde dem til enten en guldoverflade eller til metalspidsen af ​​et scanningstunnelmikroskop, et instrument, der bruges til at afbilde overflader på atomniveau. Adskillelsen mellem spidsen og overfladen udgjorde "nanogabet", der blev modificeret med lynlås-DNA'et.

Ved at måle en mængde kaldet "tunnelstrøm" henover denne nanogap, estimerede holdet ledningsevnen af ​​DNA-forbindelserne mod en blottet nanogap uden DNA. Derudover udførte de molekylær dynamik-simuleringer for at give mening i deres resultater i lyset af den underliggende "udtrækkende" dynamik i krydsene.

Til deres glæde fandt de ud af, at enkeltmolekyleforbindelsen med det lange 90-mer DNA viste en hidtil uset høj ledningsevne. Simuleringerne afslørede, at denne observation kunne tilskrives et system af delokaliserede π-elektroner, der kunne bevæge sig frit rundt i molekylet. Simuleringerne antydede også noget endnu mere interessant:enkeltmolekyle-krydset kunne faktisk genoprette sig selv, dvs. gå fra "udpakket" til "zippet" spontant efter en elektrisk fejl. Dette viste, at enkeltmolekyleforbindelsen var både elastisk og let reproducerbar.

I kølvandet på disse opdagelser er holdet begejstret for deres fremtidige konsekvenser inden for teknologi. En optimistisk Dr. Nishino spekulerer:"Den strategi, der præsenteres i vores undersøgelse, kunne danne grundlag for innovationer inden for nanoskalaelektronik med overlegne designs af enkeltmolekyleelektronik, der sandsynligvis kunne revolutionere nanobioteknologi, medicin og relaterede områder." + Udforsk yderligere

Hvor små kan de blive? Polymerer kan være nøglen til enkelt-molekyle elektroniske enheder