(PhysOrg.com) -- In één dag, een eenzame student aan een laboratoriumtafel kan in een maand meer eenvoudige logische circuits produceren dan 's werelds volledige output van siliciumchips.

Dat zegt een ingenieur van Duke University, die gelooft dat de volgende generatie van deze logische circuits in het hart van computers goedkoop zal worden geproduceerd in bijna onbeperkte hoeveelheden. Het geheim is dat in plaats van siliciumchips die dienen als platform voor elektrische circuits, computeringenieurs zullen profiteren van de unieke eigenschappen van DNA, die dubbele helix drager van alle informatie van het leven.

In zijn laatste reeks experimenten, Chris Dwyer, assistent-professor elektrische en computertechniek aan de Duke's Pratt School of Engineering, aangetoond dat door simpelweg aangepaste DNA-fragmenten en andere moleculen te mengen, hij kon letterlijk miljarden identieke, klein, wafelachtige structuren.

Dwyer heeft aangetoond dat deze nanostructuren zichzelf efficiënt zullen assembleren, en wanneer verschillende lichtgevoelige moleculen aan het mengsel worden toegevoegd, de wafels vertonen unieke en "programmeerbare" eigenschappen die gemakkelijk kunnen worden afgetapt. Door licht te gebruiken om deze moleculen te prikkelen, bekend als chromoforen, hij kan eenvoudige logische poorten maken, of schakelaars.

Deze nanostructuren kunnen vervolgens worden gebruikt als bouwstenen voor verschillende toepassingen, variërend van biomedisch tot computationeel.

"Als er licht op de chromoforen schijnt, ze absorberen het, het prikkelen van de elektronen, " zei Dwyer. "De vrijgekomen energie gaat naar een ander type chromofoor in de buurt dat de energie absorbeert en vervolgens licht van een andere golflengte uitstraalt. Dat verschil betekent dat dit uitgangslicht gemakkelijk kan worden onderscheiden van het ingangslicht, met behulp van een detector."

In plaats van conventionele circuits die elektrische stroom gebruiken om snel te schakelen tussen nullen of enen, of naar ja en nee, licht kan worden gebruikt om soortgelijke reacties van de op DNA gebaseerde schakelaars te stimuleren - en veel sneller.

"Dit is de eerste demonstratie van zo'n actieve en snelle verwerkings- en detectiecapaciteit op moleculair niveau, " zei Dwyer. De resultaten van zijn experimenten werden online gepubliceerd in het tijdschrift Klein . "Conventionele technologie heeft zijn fysieke grenzen bereikt. De mogelijkheid om goedkoop vrijwel onbeperkte leveringen van deze kleine circuits te produceren, lijkt mij de volgende logische stap."

DNA is een goed begrepen molecuul dat bestaat uit paren van complementaire nucleotidebasen die affiniteit voor elkaar hebben. Aangepaste DNA-fragmenten kunnen goedkoop worden gesynthetiseerd door de paren in willekeurige volgorde te plaatsen. In hun experimenten, de onderzoekers maakten gebruik van het natuurlijke vermogen van DNA om zich te hechten aan overeenkomstige en specifieke delen van andere DNA-fragmenten.

Dwyer gebruikte een legpuzzelanalogie om het proces te beschrijven van wat er gebeurt als alle wafelingrediënten met elkaar worden gemengd in een container.

"Het is alsof je stukjes van een puzzel neemt, ze in een doos gooien en terwijl je de doos schudt, de stukjes vinden geleidelijk hun buren om de puzzel te vormen, " zei hij. "Wat we deden was om miljarden van deze puzzelstukjes te nemen, door ze samen te gooien, om miljarden kopieën van dezelfde puzzel te vormen."

In de huidige experimenten de wafelpuzzel had 16 stukjes, met de chromoforen bovenop de randen van de wafel. Complexere circuits kunnen worden gecreëerd door structuren te bouwen die zijn samengesteld uit veel van deze kleine componenten, of door grotere wafels te bouwen. De mogelijkheden zijn eindeloos, zei Dwyer.

Naast hun gebruik in computers, Dwyer zei dat aangezien deze nanostructuren in feite sensoren zijn, veel biomedische toepassingen zijn mogelijk. Er zouden minuscule nanostructuren kunnen worden gebouwd die in een enkele druppel bloed kunnen reageren op verschillende eiwitten die markers zijn voor ziekte.