Het potentieel van DNA-structurele eigenschappen in elektronica met één molecuul is eindelijk benut door onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) in een verbindingsapparaat met één molecuul dat een spontaan zelfherstellend vermogen vertoont. Bovendien vertoont het apparaat, gebaseerd op een "rits"-DNA-configuratie, een onconventioneel hoge elektrische geleidbaarheid, wat deuren opent voor de ontwikkeling van nieuwe nano-elektronische apparaten.

In elk geavanceerd organisme vormt het molecuul genaamd DNA (desoxyribonucleïnezuur, om de volledige naam te gebruiken) de genetische code. Moderne technologie brengt DNA een stap verder dan levende materie; wetenschappers hebben vastgesteld dat de ingewikkelde structuren van DNA het mogelijk hebben gemaakt om het te gebruiken in new-age elektronische apparaten met verbindingen die slechts een enkel DNA-molecuul bevatten. Zoals bij elke ambitieuze onderneming, zijn er echter belemmeringen die moeten worden overwonnen. Het blijkt dat de geleiding van een enkel molecuul sterk afneemt met de lengte van het molecuul, zodat alleen extreem korte stukken DNA bruikbaar zijn voor elektrische metingen. Is er een manier om dit probleem te omzeilen?

Er wordt inderdaad gesuggereerd dat onderzoekers uit Japan in een nieuwe doorbraakstudie komen. Ze zijn erin geslaagd een onconventioneel hoge geleidbaarheid te bereiken met een lange verbinding op basis van DNA-moleculen in een "rits"-configuratie die ook een opmerkelijk zelfherstellend vermogen vertoont bij elektrisch falen. Deze resultaten zijn gepubliceerd als een onderzoeksartikel in Nature Communications .

Hoe hebben de onderzoekers deze prestatie bereikt? Dr. Tomoaki Nishino van Tokyo Tech, Japan, die deel uitmaakte van deze studie, legt uit:"We hebben elektronentransport onderzocht door de enkelvoudige molecuulverbinding van een 'rits'-DNA dat loodrecht op de as van een nanogap tussen twee metalen is georiënteerd. Deze junctie met één molecuul verschilt van een conventionele, niet alleen in de DNA-configuratie, maar ook in oriëntatie ten opzichte van de nanogap-as."

Het team gebruikte een 10-meer en een 90-meer DNA-streng (die het aantal nucleotiden aangeeft, de basisbouwstenen van DNA, waaruit de lengte van het molecuul bestaat) om een ​​ritssluitingachtige structuur te vormen en deze aan een gouden oppervlak of aan een de metalen punt van een scanning tunneling microscoop, een instrument dat wordt gebruikt om oppervlakken op atomair niveau in beeld te brengen. De scheiding tussen de punt en het oppervlak vormde de "nanogap" die werd gemodificeerd met het rits-DNA.

Door een hoeveelheid genaamd "tunnelstroom" over deze nanogap te meten, schatte het team de geleidbaarheid van de DNA-juncties tegen een kale nanogap zonder DNA. Bovendien voerden ze moleculaire dynamica-simulaties uit om hun resultaten te begrijpen in het licht van de onderliggende "uitpakkende" dynamiek van de kruispunten.

Tot hun vreugde ontdekten ze dat de verbinding van één molecuul met het lange 90-meer-DNA een ongekend hoge geleiding vertoonde. De simulaties onthulden dat deze waarneming kon worden toegeschreven aan een systeem van gedelokaliseerde π-elektronen die vrij in het molecuul konden bewegen. De simulaties suggereerden ook iets dat nog interessanter was:de verbinding met één molecuul zou zichzelf kunnen herstellen, d.w.z. spontaan gaan van "uitgepakt" naar "geritst", na een elektrische storing. Dit toonde aan dat de single-molecule junction zowel veerkrachtig als gemakkelijk reproduceerbaar was.

In het kielzog van deze ontdekkingen is het team enthousiast over hun toekomstige vertakkingen in technologie. Een optimistische Dr. Nishino speculeert:"De strategie die in onze studie wordt gepresenteerd, zou een basis kunnen vormen voor innovaties in elektronica op nanoschaal met superieure ontwerpen van elektronica met één molecuul die waarschijnlijk een revolutie teweeg kunnen brengen in nanobiotechnologie, geneeskunde en aanverwante gebieden." + Verder verkennen

Hoe klein kunnen ze worden? Polymeren kunnen de sleutel zijn tot elektronische apparaten met één molecuul