(Phys.org) —Il grafene è un foglio di atomi di carbonio disposti a nido d'ape, solo un singolo atomo di spessore. Potrebbe essere un semiconduttore migliore del silicio, se potessimo modellarlo in nastri larghi da 20 a 50 atomi. Il DNA potrebbe aiutare?

Il DNA è il progetto per la vita. Potrebbe anche diventare il modello per realizzare una nuova generazione di chip per computer basati non sul silicio, ma su un materiale sperimentale noto come grafene?

Questa è la teoria alla base di un processo in cui rivela il professore di ingegneria chimica di Stanford Zhenan Bao Comunicazioni sulla natura .

Bao e i suoi coautori, ex borsisti post-dottorato Anatoliy Sokolov e Fung Ling Yap, sperano di risolvere un problema che offusca il futuro dell'elettronica:i consumatori si aspettano che i chip di silicio continuino a rimpicciolirsi, più veloce ed economico, ma gli ingegneri temono che questo circolo virtuoso possa arrestarsi.

Perché ha a che fare con il funzionamento dei chip di silicio.

Tutto inizia con la nozione di semiconduttore, un tipo di materiale che può essere indotto a condurre o arrestare il flusso di elettricità. Il silicio è stato a lungo il materiale semiconduttore più popolare utilizzato per realizzare i chip.

L'unità di lavoro di base su un chip è il transistor. I transistor sono minuscoli cancelli che accendono o spengono l'elettricità, creando gli zeri e quelli che eseguono il software.

Per costruire chip più potenti, i progettisti hanno fatto due cose allo stesso tempo:hanno ridotto le dimensioni dei transistor e hanno anche aperto e chiuso quei cancelli sempre più velocemente.

Il risultato netto di queste azioni è stato quello di concentrare più elettricità in uno spazio sempre più ridotto. Finora che ha prodotto piccoli, Più veloce, chip più economici. Ma a un certo punto, il calore e altre forme di interferenza potrebbero disturbare il funzionamento interno dei chip di silicio.

"Abbiamo bisogno di un materiale che ci permetta di costruire transistor più piccoli che funzionino più velocemente utilizzando meno energia, " ha detto Bao.

Il grafene ha le proprietà fisiche ed elettriche per diventare un materiale semiconduttore di nuova generazione, se i ricercatori riescono a capire come produrlo in serie.

Il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio disposti a nido d'ape. Visivamente assomiglia al filo di pollo. Elettricamente questo reticolo di atomi di carbonio è un conduttore estremamente efficiente.

Bao e altri ricercatori ritengono che i nastri di grafene, posati fianco a fianco, potrebbe creare circuiti a semiconduttore. Date le ridotte dimensioni del materiale e le favorevoli proprietà elettriche, i nano nastri di grafene potrebbero creare chip molto veloci che funzionano a bassissima potenza, lei disse.

"Però, come si potrebbe immaginare, fare qualcosa che è spesso solo un atomo e largo da 20 a 50 atomi è una sfida significativa, ", ha detto il coautore Sokolov.

Per affrontare questa sfida, il team di Stanford ha avuto l'idea di utilizzare il DNA come meccanismo di assemblaggio.

Fisicamente, I filamenti di DNA sono lunghi e sottili, ed esistono all'incirca nelle stesse dimensioni dei nastri di grafene che i ricercatori volevano assemblare.

chimicamente, Le molecole di DNA contengono atomi di carbonio, il materiale che forma il grafene.

Il vero trucco sta nel modo in cui Bao e il suo team mettono in funzione le proprietà fisiche e chimiche del DNA.

I ricercatori hanno iniziato con un minuscolo piatto di silicio per fornire un supporto (substrato) per il loro transistor sperimentale. Hanno immerso il piatto di silicio in una soluzione di DNA derivato da batteri e hanno usato una tecnica nota per pettinare i filamenti di DNA in linee relativamente dritte.

Prossimo, il DNA sul piatto è stato esposto a una soluzione di sale di rame. Le proprietà chimiche della soluzione hanno permesso agli ioni di rame di essere assorbiti nel DNA.

Successivamente il piatto è stato riscaldato e immerso nel gas metano, che contiene atomi di carbonio. Ancora una volta le forze chimiche sono entrate in gioco per aiutare nel processo di assemblaggio. Il calore ha innescato una reazione chimica che ha liberato alcuni degli atomi di carbonio nel DNA e il metano. Questi atomi di carbonio liberi si unirono rapidamente per formare favi stabili di grafene.

"Gli atomi di carbonio sciolti sono rimasti vicini al punto in cui si sono staccati dai filamenti di DNA, e così formarono dei nastri che seguivano la struttura del DNA, "Sì, ha detto.

Quindi la prima parte dell'invenzione prevedeva l'uso del DNA per assemblare nastri di carbonio. Ma i ricercatori volevano anche dimostrare che questi nastri di carbonio potevano svolgere compiti elettronici. Quindi hanno realizzato dei transistor sui nastri.

"Abbiamo dimostrato per la prima volta che è possibile utilizzare il DNA per far crescere nastri stretti e quindi realizzare transistor funzionanti, " ha detto Sokolov.

Il documento ha ricevuto elogi dal professore associato dell'Università di Berkeley, Ali Javey, un esperto nell'uso di materiali avanzati e di elettronica di nuova generazione.

"Questa tecnica è davvero unica e sfrutta l'uso del DNA come stampo efficace per la crescita controllata di materiali elettronici, " ha detto Javey. "A questo proposito il progetto affronta un'importante esigenza di ricerca per il campo".

Bao ha detto che il processo di assemblaggio ha bisogno di molti miglioramenti. Ad esempio, non tutti gli atomi di carbonio formavano nastri a nido d'ape dello spessore di un singolo atomo. In alcuni punti si ammassavano in schemi irregolari, portando i ricercatori a etichettare il materiale come grafite anziché grafene.

Comunque, il processo, circa due anni di lavoro, indica una strategia per trasformare questo materiale a base di carbonio da una curiosità in un serio contendente per il successo del silicio.

"Il nostro metodo di fabbricazione basato sul DNA è altamente scalabile, offre alta risoluzione e bassi costi di produzione, " ha detto il co-autore Yap. "Tutti questi vantaggi rendono il metodo molto attraente per l'adozione industriale".