Международная группа ученых из России (в том числе из МФТИ) и Израиля создала нанопроволоки из молекул ДНК и наночастиц серебра. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials и помещены на обложку.
С каждым годом электронные схемы и приборы становятся компактнее и производительнее. Однако традиционная электроника подходит к своему технологическому пределу, а получение эффективных наноэлементов остается важной задачей для миниатюризации и усовершенствования электронных и оптических устройств. Для решения этой задачи перспективным является переход к молекулярной электронике (основанной на использовании отдельных молекул в качестве электронных элементов). Нанопроволоки могут быть базовыми элементами многих схем, и для этого могли бы отлично подойти молекулы ДНК благодаря своей структуре и способности к самоорганизации.
«Если бы молекулы ДНК воспроизводимо проводили электрический заряд, сделать новое поколение электронных схем и электрических устройств было бы легко. Тем не менее, проводимость ДНК в некоторых случаях очень низкая, особенно если молекула закреплена на твердой подложке. Мы обнаружили, что ДНК, состоящая из гуанин-цитозиновых пар, может взаимодействовать с наночастицами серебра и «забирать» себе атомы этого металла. Таким образом происходит ее металлизация», — комментирует Дмитрий Клинов, руководитель лаборатории медицинских нанотехнологий ФНКЦ ФХМ и преподаватель кафедры молекулярной и трансляционной медицины МФТИ.
ДНК представляет интерес не только как хранилище генетической информации, но и в качестве кандидата на роль нанопроводов для молекулярной электроники. Авторы статьи ранее обнаружили интересные свойства этой молекулы. Во-первых, она способна проявлять сверхпроводящие свойства, если ее поместить между двумя сверхпроводниками (наведенная сверхпроводимость). Во-вторых, молекулы ДНК способны самостоятельно осуществлять транспорт заряда, однако эффективность зависит от подложки, на которую они нанесены. Перенос заряда через ДНК может быть усилен за счет расположения атомов металлов вдоль цепи, но добиться равномерного покрытия сложно, и оставшиеся неметаллизированные фрагменты ДНК ухудшают способность проводить электричество. Авторы работы заметили, что ДНК, состоящую из цепи гуанина и комплементарной ей цепи цитозина (ГЦ-ДНК), можно равномерно металлизировать атомами серебра.
Процесс металлизации достаточно прост: ГЦ-ДНК добавляют к раствору серебряных наночастиц, покрытых олигонуклеотидами, и оставляют на 2–3 дня. Частицы взаимодействуют с ДНК и «отдают» ей свои атомы (см. схему). В результате такой процедуры ДНК равномерно покрывается атомами серебра. Полученную молекулу ученые называют Э-ДНК («Э» — электрическая). Э-ДНК становится более жесткой и устойчивой к механическим деформациям; кроме того, ее невозможно разрушить ферментами, специфичными к исходной молекуле. Высота Э-ДНК, наблюдаемая в атомно-силовой микроскоп, увеличивается с 0,7 нм до 1,1 нм.
«Поскольку атомы металла равномерно расположены вдоль молекулы ДНК, мы ожидаем, что такая нанопроволока будет хорошим проводником», — объясняет Дмитрий Клинов.
В дальнейших исследованиях авторы продолжат изучать свойства Э-ДНК и механизмы металлизации.
Распределение нанокластеров серебра вдоль цепи ДНК за счет диффузии
