Учёные построили первый наножидкостный транзистор для химических компьютеров
Исследователи из университета Калифорнии в Беркли создали первый в мире наножидкостный транзистор как на основе наноканалов, так и на основе нанотрубок.
Термин "наножидкостный" означает, что устройство контролирует перемещение жидкости и определённых ионов через каналы субмикронного диаметра. Ранее удавалось создавать наножидкостные каналы диаметром до 30 нанометров. Наножидкостные системы уже используются в лабораториях-на-чипе и гибридных наноэлектронных устройствах, позволяющих получить электроэнергию от протекающих биохимических процессов в живых клетках, находящихся in vitro внутри чипа.
Авторы новинки — химики и инженеры — предсказывают, что, подобно тому, как электронные полупроводниковые транзисторы послужили кирпичиками для микросхем, наножидкостный транзистор послужит основой для миниатюрных химических заводов "на чипе", работающих без единой подвижной детали.
"Транзистор походит на клапан: вы используете электричество, чтобы открыть или закрыть его, — объяснил Арун Маджумдар, один из авторов проекта. — Здесь же мы используем напряжение, чтобы открыть или закрыть ионный канал. Теперь, когда мы построили этот стандартный блок, мы можем приспособить его к электронному чипу, чтобы управлять химрастворами".
Устройства на основе нового транзистора могут диагностировать заболевания - в частности, рак - на ранней стадии. Теоретически чип может обработать всего 10 раковых клеток, выделив из них белковые маркеры, характерные именно этому типу заболевания. А с помощью этих индивидуальных меток врач сможет провести более эффективную диагностику и последующее лечение заболевания.
Рис. 1. Структура наножидкостного транзистора
"Химические компьютеры - идеальный инструмент для изучения белков и энзимов. Также они откроют новый этап развития технологии идентификации различных химических соединений: от белков до живых клеток, - говорит Арун. - Идентификация белков-маркеров раковых клеток на начальных стадиях заболевания позволит ученым эффективнее бороться с раком и другими болезнями".
Коллега Аруна, Пейдонг Янг построил аналог наножидкостного транзистора с использованием нанотрубок в роли проводящих каналов. После проведения ряда тестов над экспериментальным чипом наножидкостного транзистора Янг был удивлен схожестью характеристик обычных MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistors - метал-оксид полупроводниковых полевых) транзисторов и наножидкостного.
"Больше всего меня удивило то, что мы сможем сконструировать химические компьютеры, способные манипулировать молекулами так же, как полупроводниковые - электронами, - говорит Янг. - Тогда единицы информации будут представлять различные молекулы. Этот подход открывает совершенно новую область в теории информации".
Одно из преимуществ наножидкостного транзистора, по словам Аруна, - то, что технология массового производства лабораторий-на-чипе на его основе не отличается от технологий производства интегральных компьютерных чипов. Наножидкостные каналы можно легко интегрировать в полупроводниковые приборы. Так, например, электроникой можно управлять путем открытия или закрытия микрожидкостного канала. При этом электронные компоненты, позволяющие делать это, размещаются на плате обычными методами производства микроэлектроники. А микроканалы и резервуары наносятся на плату отдельно.
Основная деталь нанотранзистора, способного управлять потоком жидкости, - микроканал диаметром 35 нанометров, расположенный между двумя слоями диоксида кремния. Он наполнен водой с добавлением растворенных солей, образующих водные ионы. При подаче напряжения на затвор, аналогичный затвору полевого MOSFET транзистора, протекание жидкости прекращается. Как видно, принцип работы наножидкостного транзистора полностью аналогичен принципу действия электронных транзисторов.
Рис. 2. Нанотранзистор с каналом из нанотрубки на кремниевой плате
Подобное управление ионами в тонком канале (35 нанометров) невозможно другими способами, так как в жидкости ионы быстро перемещаются и могут потерять заряд, соприкоснувшись со стенками канала. Поэтому для каналов диаметром до 100 нанометров применяют электрическое экранирование. А напряжение, приложенное к разным концам канала, вызывает перемещение ионов от истока к стоку. Правда, значение напряжения для закрытия транзистора довольно велико: оно составляет 75 вольт.
Такой нанотранзистор можно использовать для детектирования химических соединений. Представим себе, что фрагменты ДНК, белки, ионы или энзимы перемещаются внутри канала, покрытого флуоресцентными метками. Таким образом, управляя протоком жидкости, можно добиться детекции даже одной молекулы. Исследователи в одном из экспериментов продемонстрировали, как с помощью нанотранзистора обрабатывались помеченные флуоресцентными красками сегменты ДНК.
Янг, специалист по изготовлению из нанотрубок и полупроводников наноэлектронных устройств, создал аналог наножидкостного транзистора с каналом из углеродной нанотрубки диаметром 20 нанометров. При этом нанотранзистор показал характеристики, схожие с первым химическим транзистором.
"Нанотрубки позволяют пропустить через наножидкостный транзистор молекулы меньшего размера. С помощью современных методов производства мы не можем сделать каналов меньшего диаметра, - говорит Янг. - Поэтому я думаю, что в будущем химические транзисторы будут работать на основе нанотрубок".
"Мы делаем все возможное, чтобы наша команда первой создала что-то вроде химического процессора, способного сортировать и сравнивать молекулы между собой, как это делают с битами современные процессоры," - говорит Маджудар.
В перспективе группа наножидкостных транзисторов может образовывать целые вычислительные устройства, сходные с нынешними кремниевыми процессорами, что в сочетании с лёгким управлением ионами (а это могут быть, скажем, белки или фрагменты ДНК) сулит новые возможности для биологических исследований и медицины.
Источник:
1. Berkeley: Researchers create first nanofluidic transistor, the basis of future chemical processors
2005, Nanotechnology News Network |
