Molekylära datorkomponenter kan representera en ny IT-revolution och hjälpa oss att skapa billigare, snabbare, mindre och kraftfullare datorer. Ändå kämpar forskare med att hitta sätt att montera dem mer tillförlitligt och effektivt.

För att hjälpa till att uppnå detta undersökte forskare från Institutet för fysik vid den tjeckiska vetenskapsakademin möjligheterna till självmontering av molekylära maskiner som bygger på lösningar som finslipats av naturlig evolution och använder synergi med nuvarande chiptillverkning.

Det finns en gräns för miniatyriseringen av nuvarande kiselbaserade datorchips. Molekylär elektronik, med användning av switchar och minnen i en molekylstorlek, skulle kunna ge en revolution i datorernas storlek, hastighet och kapacitet samtidigt som den minskar på deras ökande strömförbrukning, men deras massproduktion är en utmaning. Storskalig, låg-defekt, tillgänglig nanotillverkning och montering av komponenterna förblir svårfångade. Inspiration hämtad från levande natur kan förändra detta status quo.

Små prototyper av molekylära kretsar som består av ett par molekyler produceras för närvarande genom skanningssondsmikroskopi, som manipulerar dem en molekyl i taget med en långsam, tung makroskopisk konsol.

Prokop Hapala, som ledde studien publicerad i ACS Nano , liknar det med att bygga en delikat mosaik med en enorm kran, en bricka i taget. Självmontering skulle kunna lösa detta problem, men det skapar andra utmaningar. Till exempel, hur producerar vi en mängd olika strukturer när endast en liten mängd strukturell information kan kodas in i interaktioner mellan ett fåtal funktionella grupper?

Forskare från Institute of Physics vid den tjeckiska vetenskapsakademin hämtade inspiration från naturen, där funktionella och strukturella komponenter är frikopplade i polymermallar som DNA eller RNA. Där representerar sockerfosfater byggnadsställningarna och nukleobaserna, bundna av vätebindningar, tillhandahåller informationslagringen.

Tack vare dessa bindningar kan dessa informativa polymerer självmontera till komplexa former och driva självreplikation eller syntes av andra, mindre molekyler. Detta tillvägagångssätt har redan använts i "DNA-origami", som kan producera komplexa molekyler med önskade former och funktioner. Men hur kan vi skala upp processen och uppnå större variation?

"Kända DNA-baspar - som man naivt kan tro skulle vara det bästa valet - kan inte användas som de är", förklarar Paolo Nicolini, en av författarna. "De fungerar utmärkt i cellen, men detta beror på miljön och resten av cellulära maskineri. Under förhållanden som är kompatibla med nanotillverkning är de helt enkelt inte tillräckligt selektiva."

Mithun Manikandan, Paolo Nicolini och Prokop Hapala bestämde sig för att kombinera de möjligheter som DNA-origami och fotolitografi erbjuder för att lägga ut komplexa strukturer av samtida chips. Detta kan bana väg för massproduktion av revolutionerande molekylära kretsar integrerade med samtida chiptillverkningsteknik – något som skulle kunna möjliggöra en smidig övergång från nuvarande datormaskineri till nästa nivå.

För att möjliggöra detta föreslog forskarna att ersätta sockerfosfatryggraden med ljuskänslig diacetylen. De använde detaljerade simuleringar för att screena efter komplementära vätebundna ändgrupper som skulle driva självmonteringen på ett galler under de förhållanden som används vid chipproduktion.

Diacetylenderivat användes som ryggraden eftersom de effektivt kan polymerisera under dessa förhållanden när de primeras med UV-ljus eller elektroninjektion, och enheter analoga med DNA/RNA-baser ("bokstäverna" i den genetiska koden) undersöktes i silico som slutgrupper driva sammansättningen av komponenter till de avsedda formerna.

Målet var att hitta komplementära par, där två enheter på ett tillförlitligt sätt binder till varandra och inte till andra enheter - denna egenskap, återigen analog med hur DNA fungerar, skulle möjliggöra skapandet av deterministiska komplexa kretsmönster. Forskarna fann att enheter som innehåller rena vätedonatorändgrupper var särskilt lämpliga. Sexton lovande kandidatenheter hittades, vilket banade väg för experimentell forskning och eventuella industritillämpningar.

Resultaten har intressanta implikationer för DNA-beräkning och artificiella DNA-analoger. De flesta möjliga alfabet med fyra bokstäver som hittades i screeningen inträffade i ett mycket smalt område med bindningsenergier på 15−25 kcal/mol, och alla förlitade sig på en liten delmängd av de testade slutgrupperna.

Även om endast en liten delmängd av det möjliga bokstavsutrymmet skulle kunna testas med hög noggrannhet, tyder detta på att DNA-alfabetet kanske inte bara är ett resultat av en "olycka som fryses i tiden", utan kunde ha varit ett stabilt och energiskt gynnsamt alternativ. Inga alfabet på sex bokstäver hittades i det testade utrymmet, men nya selektivitetsmekanismer och icke-kovalent bindning förutom vätebindningar (som halogenbindningar) skulle potentiellt kunna möjliggöra dessa. På liknande sätt kunde möjligheterna med terapeutiska och farmaceutiska DNA-analoger testas.

Detta arbete kommer att ytterligare förbättra den syntetiska tillgängligheten av molekylerna och övervinna experimentella begränsningar. Medan de flesta av oss sannolikt läser detta på maskiner som förlitar sig på kiselbaserade transistorer, kan vi snart börja smidigt övergå till maskiner som delvis använder molekylär nanoelektronik. Detta arbete representerar ytterligare ett steg mot en sådan framtid.

Mer information: Mithun Manikandan et al, Computational Design of Photosensitive Polymer Templates To Drive Molecular Nanofabrication, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c10575

Journalinformation: ACS Nano

Tillhandahålls av Czech Academy of Sciences