Kredit:Tokyo Institute of Technology
Potentialen hos DNA-strukturella egenskaper i enmolekylär elektronik har äntligen utnyttjats av forskare från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) i en enkelmolekylär kopplingsenhet som visar spontan självåterställande förmåga. Dessutom visar enheten, baserad på en "dragkedja" DNA-konfiguration, okonventionellt hög elektrisk ledningsförmåga, vilket öppnar dörrar för utvecklingen av nya nanoelektroniska enheter.
I varje avancerad organism bildar molekylen som kallas DNA (deoxiribonukleinsyra, för att använda dess fullständiga namn) den genetiska koden. Modern teknik tar DNA ett steg bortom levande materia; forskare har fastställt att DNA:s invecklade strukturer har gjort det möjligt för det att användas i nya tidsåldrar elektroniska enheter med knutpunkter som bara består av en enda DNA-molekyl. Men som med alla ambitiösa strävanden finns det hinder att övervinna. Det visar sig att enmolekylens konduktans avtar kraftigt med molekylens längd så att endast extremt korta DNA-sträckor är användbara för elektriska mätningar. Finns det något sätt att kringgå det här problemet?
Det finns faktiskt föreslå forskare från Japan i en ny genombrottsstudie. De har lyckats uppnå en okonventionellt hög konduktivitet med en lång DNA-molekylbaserad koppling i en "dragkedja"-konfiguration som också visar en anmärkningsvärd självåterställande förmåga under elektriska fel. Dessa resultat har publicerats som en forskningsartikel i Nature Communications .
Hur uppnådde forskarna denna bedrift? Dr. Tomoaki Nishino från Tokyo Tech, Japan, som var en del av den här studien, förklarar, "Vi undersökte elektrontransport genom enkelmolekylövergången av ett "dragkedja"-DNA som är orienterat vinkelrätt mot axeln av en nanogap mellan två metaller. Denna enkelmolekylövergång skiljer sig från en konventionell inte bara i DNA-konfigurationen utan också i orientering i förhållande till nanogapaxeln."
Teamet använde en 10-mer och en 90-mer DNA-sträng (som indikerar antalet nukleotider, grundläggande byggstenar av DNA, som utgör molekyllängden) för att bilda en blixtlåsliknande struktur och fäste dem på antingen en guldyta eller till metallspetsen på ett skanningstunnelmikroskop, ett instrument som används för att avbilda ytor på atomnivå. Separationen mellan spetsen och ytan utgjorde "nanogapet" som modifierades med blixtlåsets DNA.
Genom att mäta en kvantitet som kallas "tunnelström" över denna nanogap, uppskattade teamet ledningsförmågan hos DNA-övergångarna mot en nanogap utan DNA. Dessutom genomförde de molekylära dynamiksimuleringar för att förstå deras resultat i ljuset av den underliggande "upplåsande" dynamiken i korsningarna.
Till sin glädje fann de att den enmolekylära förbindelsen med det långa 90-mer DNA:t visade en oöverträffad hög konduktans. Simuleringarna visade att denna observation kunde tillskrivas ett system av delokaliserade π-elektroner som kunde röra sig fritt i molekylen. Simuleringarna föreslog också något ännu mer intressant:enkelmolekylövergången kunde faktiskt återställa sig själv, dvs. gå från "upplåst" till "zippad" spontant efter ett elektriskt fel. Detta visade att enkelmolekylövergången var både elastisk och lätt reproducerbar.
I kölvattnet av dessa upptäckter är teamet exalterade över deras framtida konsekvenser inom teknik. En optimistisk Dr. Nishino spekulerar, "Strategien som presenteras i vår studie kan ge en grund för innovationer inom nanoskalaelektronik med överlägsen design av enmolekylär elektronik som sannolikt skulle kunna revolutionera nanobioteknik, medicin och relaterade områden." + Utforska vidare
