EN

DNA-pohjainen sähkölaite toimii yhdellä elektronilla

13.10.2016

Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen (NSC) sekä Tampereen yliopiston BioMediTechin (BMT) tutkijat ovat onnistuneet rakentamaan nanokokoisia sähköisiä laitteita hyödyntäen perintötekijöitä säilyttävää molekyyliä eli DNA:ta – ja erityisesti sen ilmiömäisiä itsejärjestäytymisominaisuuksia. Varsinaiseen sähköiseen toimintaan DNA ei tässä tapauksessa kuitenkaan osallistu, vaan sen tehtävänä on järjestää rakenteen ns. saarekkeina toimivat kultananohiukkaset kolmen hiukkasen ketjuiksi muutaman nanometrin tarkkuudella. Tutkimus on tehty Suomen Akatemian rahoituksella.

Normaalisti metallien hyvä sähkönjohtokyky perustuu niiden lukemattomiin vapaasti liikkuviin elektroneihin. Sähkövirta muodostuu miljoonien elektronien liikkeestä, eikä yksittäisellä elektronilla tällöin ole juuri merkitystä. Kuitenkin nanometrien mittakaavassa jo yhden elektronin lisääminen metalliseen nanorakenteeseen voi vaikuttaa merkittävästi. Yleensä tämä lisäys tapahtuu kvanttimekaanisen niin kutsutun tunneloinnin avulla. Tässä tutkimuksessa elektronit tunneloituivat rakenteen ulkoiseen piiriin yhdistävältä elektrodilta ensimmäiselle nanohiukkaselle ja siitä edelleen seuraavalle välissä olevien rakojen yli - aina koko ketjun läpi.

”Yhden elektronin liikkeeseen perustuvia kymmenien nanometrien kokoisia rakenteita ja laitteita on valmistettu perinteisemmillä nano- ja mikrovalmistusmenetelmillä jo muutaman vuosikymmenen ajan”, kertoo yliopistonlehtori Jussi Toppari. Topparin käsitteli aikoinaan väitöskirjassaan tällaisia rakenteita. ”Ongelmana on kuitenkin ollut näiden rakenteiden toimintaan vaadittava hyvin matala lämpötila – lähellä absoluuttista nollapistettä. Tämä onkin ollut perinteisten valmistusmenetelmien heikkous. Sillä laitteiden luonteesta johtuen mitä enemmän rakennetta saadaan pienennettyä, sitä korkeammassa lämpötilassa se voi toimia.”

Nykyään nanoteknologian avulla pystytään kuitenkin luotettavasti muodostamaan vain muutaman nanometrien kokoisia metallisia hiukkasia, jotka voisivat toimia yhden elektronin rakenteina aina huoneenlämpötilaan saakka. NSC:ssä on paljon osaamista ja kokemusta näiden nanohiukkasten valmistuksesta.

”Tällaiset nanohiukkaset ovat kuitenkin valmistuksen jäljiltä vapaana vesiliuoksessa, josta ne on jotenkin järjestettävä haluttuun muotoon ja kytkettävä ulkoiseen virtapiiriin”, kommentoi tutkija Kosti Tapio. ”Tähän DNA-molekyylin itsejärjestyvyysominaisuudet sekä kyky muodostaa sidoksia erilaisten nanohiukkasten kanssa tarjoavat erinomaisen työkalun.”

Kultananohiukkaset liitetään ryhmän erityisesti suunnittelemaan ja jo aikaisemmin tutkimaan DNA-rakenteeseen suoraan liuoksessa. Koko menetelmä perustuu DNA:n itsejärjestyvyyteen, jolloin yhdestä valmistuserästä saadaan lukemattomia valmiita rakenteita yhtäaikaisesti. Valmiit rakenteet puolestaan ohjataan paikoilleen sähkökenttien avulla. ”DNA-ketjujen itsejärjestymisominaisuudet ja niiden pitkälle kehitetyt valmistus- ja muokkausmenetelmät tarjoavat lähes loputtoman määrän mahdollisuuksia”, sanoo apulaisprofessori Vesa Hytönen.

Tutkimuksen sähköiset testit osoittavat ensi kertaa, että DNA:n itsejärjestyvyyteen perustuvilla skaalautuvan sarjatuotannon mahdollistavilla menetelmillä voidaan todella luoda toimivia yhden elektronin liikkeeseen perustuvia laitteita. 

Tutkimus on jatkumoa ryhmien pitkäjänteiselle monitieteelliselle yhteistyölle. Mukana olivat myös tutkijatohtori Jenni Leppiniemi (BMT), tutkija Boxuan Shen (JYU) sekä merkittävän avun kultahiukkasten kiinnittämisessä DNA:han tarjonnut dosentti Wolfgang Fritzsche (IPHT, Jena, Saksa). Tutkimus julkaistiin 13.10.2016 Nano Letters – julkaisusarjassa, joka on yksi alan vanhimmista ja arvostetuimmista sarjoista. Suomen Akatemian lisäksi Saksan DAAD myönsi hankkeelle liikkuvuusrahoitusta.

Lisätietoja:

Linkki artikkeliin: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b02378

 

Joonas Aitonurmi
Viestintäyksikkö
Suomen Akatemia
joonas.aitonurmi@aka.fi
puh. 029 5335 153

 

Viimeksi muokattu 13.10.2016
Seuraa meitä:
FacebookSlideshareTwitterYoutube
VAIHDE 029 533 5000
KIRJAAMO 029 533 5049
FAKSI 029 533 5299
   
SÄHKÖPOSTI etunimi.sukunimi@aka.fi
AUKIOLO Arkisin 8.00-16.15
   
HENKILÖHAKU »
YHTEYSTIEDOT, LASKUTUS  JA
REKISTERISELOSTEET»
KYSYMYKSET JA PALAUTE »