10.8 Ученые 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 определенных ионов через каналы субмикрометрового диаметра. Ранее удавалось создавать наножид-костные каналы диаметром до 30 нм. 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 для этого типа заболевания. А с помощью таких индивидуальных меток врач сможет провести более эффективную диаг­ностику и последующее лечение заболевания.

«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 (рис. 10.12).

Рис. 10.12. Нанотранзистор с каналом из нанотрубки на кремниевой плате

После проведения ряда тестов над экспериментальным чипом нано­жидкостного транзистора Янг был удивлен схожестью характеристик обычных MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) — металл-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 нм, 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 наножид-костного транзистора полностью аналогичен принципу действия элек­тронных транзисторов.

Подобное управление ионами в тонком канале (35 нм) невозмож­но другими способами, так как в жидкости ионы быстро перемеща­ются и могут потерять заряд, соприкоснувшись со стенками канала. Поэтому для каналов диаметром до 100 нм 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 В.

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 потоком 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 нм. 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 каналы 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», — продолжает Маджумдар.

В перспективе группа наножидкостных транзисторов может об­разовывать целые вычислительные устройства, сходные с нынеш­ними кремниевыми процессорами, что в сочетании с легким управ­лением ионами (а это могут быть, скажем, белки или фрагменты ДНК) сулит новые возможности для биологических исследований и медицины.