(Phys.org) —Grafeen is een vel koolstofatomen gerangschikt in een honingraatpatroon, slechts een enkel atoom dik. Het zou een betere halfgeleider kunnen zijn dan silicium - als we er linten van 20 tot 50 atomen breed van zouden kunnen maken. Zou DNA kunnen helpen?

DNA is de blauwdruk voor het leven. Zou het ook de sjabloon kunnen worden voor het maken van een nieuwe generatie computerchips die niet op silicium is gebaseerd, maar op een experimenteel materiaal dat bekend staat als grafeen?

Dat is de theorie achter een proces dat Zhenan Bao, professor in de chemische technologie van Stanford, onthult in Natuurcommunicatie .

Bao en haar co-auteurs, voormalige postdoctorale fellows Anatoliy Sokolov en Fung Ling Yap, hopen een probleem op te lossen dat de toekomst van elektronica vertroebelt:consumenten verwachten dat siliciumchips steeds kleiner worden, sneller en goedkoper, maar ingenieurs vrezen dat deze positieve cyclus tot stilstand kan komen.

Waarom heeft te maken met hoe siliciumchips werken.

Alles begint met het idee van de halfgeleider, een soort materiaal dat kan worden geïnduceerd om de stroom van elektriciteit te geleiden of te stoppen. Silicium is lange tijd het populairste halfgeleidermateriaal geweest dat wordt gebruikt om chips te maken.

De basiseenheid op een chip is de transistor. Transistors zijn kleine poortjes die elektriciteit aan- of uitzetten, het creëren van de nullen en enen die software uitvoeren.

Om krachtigere chips te bouwen, ontwerpers hebben twee dingen tegelijk gedaan:ze hebben de transistors verkleind en ook die poorten steeds sneller open en dicht gedraaid.

Het netto resultaat van deze acties is geweest om meer elektriciteit te concentreren in een kleiner wordende ruimte. Dat heeft tot nu toe kleine, sneller, goedkopere chips. Maar op een gegeven moment, hitte en andere vormen van interferentie kunnen de interne werking van siliciumchips verstoren.

"We hebben een materiaal nodig waarmee we kleinere transistors kunnen bouwen die sneller werken met minder stroom, ' zei Bao.

Grafeen heeft de fysieke en elektrische eigenschappen om een ​​halfgeleidermateriaal van de volgende generatie te worden - als onderzoekers erachter kunnen komen hoe ze het in massa kunnen produceren.

Grafeen is een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatpatroon. Visueel lijkt het op kippengaas. Elektrisch is dit rooster van koolstofatomen een uiterst efficiënte geleider.

Bao en andere onderzoekers geloven dat linten van grafeen, naast elkaar gelegd, halfgeleiderschakelingen kunnen maken. Gezien de kleine afmetingen van het materiaal en de gunstige elektrische eigenschappen, grafeen nano-linten kunnen zeer snelle chips maken die op zeer laag vermogen werken, ze zei.

"Echter, zoals men zich zou kunnen voorstellen, iets maken dat slechts één atoom dik en 20 tot 50 atomen breed is, is een grote uitdaging, " zei co-auteur Sokolov.

Om deze uitdaging aan te gaan, het Stanford-team kwam op het idee om DNA als assemblagemechanisme te gebruiken.

fysiek, DNA-strengen zijn lang en dun, en bestaan ​​in ongeveer dezelfde afmetingen als de grafeenlinten die onderzoekers wilden assembleren.

chemisch, DNA-moleculen bevatten koolstofatomen, het materiaal waaruit grafeen ontstaat.

De echte truc is hoe Bao en haar team de fysieke en chemische eigenschappen van DNA aan het werk zetten.

De onderzoekers begonnen met een klein plaatje silicium als ondersteuning (substraat) voor hun experimentele transistor. Ze doopten de siliciumschotel in een oplossing van DNA afkomstig van bacteriën en gebruikten een bekende techniek om de DNA-strengen in relatief rechte lijnen te kammen.

Volgende, het DNA op de schaal werd blootgesteld aan een koperzoutoplossing. Door de chemische eigenschappen van de oplossing konden de koperionen in het DNA worden opgenomen.

Vervolgens werd de schaal verwarmd en gebaad in methaangas, die koolstofatomen bevat. Opnieuw kwamen chemische krachten in het spel om te helpen bij het assemblageproces. De hitte veroorzaakte een chemische reactie die een deel van de koolstofatomen in het DNA en methaan vrijmaakte. Deze vrije koolstofatomen voegden zich snel samen om stabiele honingraten van grafeen te vormen.

"De losse koolstofatomen bleven dicht bij waar ze uit de DNA-strengen braken, en zo vormden ze linten die de structuur van het DNA volgden, ' zei Jaap.

Dus deel één van de uitvinding betrof het gebruik van DNA om linten van koolstof te assembleren. Maar de onderzoekers wilden ook aantonen dat deze koolstoflinten elektronische taken konden uitvoeren. Dus maakten ze transistors op de linten.

"We hebben voor het eerst aangetoond dat je DNA kunt gebruiken om smalle linten te laten groeien en vervolgens werkende transistors te maken, ' zei Sokolov.

De paper werd geprezen door UC Berkeley universitair hoofddocent Ali Javey, een expert in het gebruik van geavanceerde materialen en elektronica van de volgende generatie.

"Deze techniek is zeer uniek en maakt gebruik van het gebruik van DNA als een effectieve sjabloon voor gecontroleerde groei van elektronische materialen, "Zei Javey. "In dit opzicht richt het project zich op een belangrijke onderzoeksbehoefte voor het veld."

Bao zei dat het assemblageproces veel verfijning nodig heeft. Bijvoorbeeld, niet alle koolstofatomen vormden honingraatlinten van een enkel atoom dik. Op sommige plaatsen bundelden ze zich in onregelmatige patronen, wat ertoe leidde dat de onderzoekers het materiaal grafiet noemden in plaats van grafeen.

Toch, het proces, ongeveer twee jaar in de maak, wijst in de richting van een strategie om van dit op koolstof gebaseerde materiaal een curiositeit te maken in een serieuze kanshebber om silicium op te volgen.

"Onze op DNA gebaseerde fabricagemethode is zeer schaalbaar, biedt hoge resolutie en lage productiekosten, "Zei co-auteur Yap. "Al deze voordelen maken de methode zeer aantrekkelijk voor industriële adoptie."