Počítačové součástky o velikosti molekul mohou představovat novou revoluci v IT a pomoci nám vytvořit levnější, rychlejší, menší a výkonnější počítače. Spolehlivě a efektivně je sestavit ovšem zatím představuje výzvu. Vědci ze Sekce fyziky kondenzovaných látek FZU nás k tomu o krok přiblížili novým výzkumem možností sebeuspořádání molekulárních strojů, v němž cílili na synergii se současnými způsoby výroby mikročipů a inspirovali se řešeními dosaženými biologickou evolucí.
Miniaturizace současných křemíkových počítačových čipů se zřejmě blíží své hranici. Molekulární elektronika využívající jednomolekulární spínače a paměti slibuje revoluci ve velikosti, rychlosti a výkonu počítačů a snižování energetické spotřeby, masová výroba a uspořádání nanosoučástek s minimem defektů do obvodů jsou zatím mimo naše možnosti. Tento stav by ovšem mohla změnit inspirace ze světa živé přírody.
Prototypy obvodů sestavených jen z hrstky molekul se v současné době vyrábějí pomocí mikroskopie skenovací sondou, při které je možné manipulovat jen jedinou molekulou naráz pomocí pomalého, těžkého makroskopického hrotu. Prokop Hapala, který stojí za novou studií publikovanou v ACS Nano, to přirovnává k sestavování jemné mozaiky pomocí obřího jeřábu, sklíčko po sklíčku. Sebeuspořádání součástek i celých obvodů by mohlo tento problém vyřešit, ale s ním přicházejí nové výzvy, například jak vytvořit rozmanité struktury, když může být v interakcích mezi hrstkou funkčních skupin zakódováno jen relativně málo strukturní informace.
Výzkumný tým ze Sekce fyziky kondenzovaných látek se inspiroval živou přírodou, kde jsou v látkách jako DNA či RNA funkční a strukturní složky odděleny: cukr s fosfátem představují lešení a nukleobáze, provázané vodíkovými můstky, pro změnu úložiště informací. Právě díky těmto vazbám se informační polymery dokážou sebeuspořádat do složitých tvarů a řídit sebereplikaci nebo syntézu jiných molekul. Tento přístup už se využívá v „DNA origami“, které dokáže tvořit složité molekuly kýženého tvaru a funkce. Jak ale můžeme podobný proces urychlit a získat větší rozmanitost látek?
„Známé páry bazí v DNA – o kterých by si člověk mohl naivně pomyslet, že budou pro tenhle účel nejlepší – nám tady neposlouží,“ vysvětluje Paolo Nicolini, člen výzkumného týmu. „Uvnitř buňky fungují skvěle, ale to je díky jejímu prostředí a zbytku buněčné mašinerie. Za podmínek kompatibilních s nanovýrobou zkrátka nejsou dostatečně selektivní.“
Mithun Manikandan, Paolo Nicolini a Prokop Hapala se rozhodli propojit možnosti nabízené DNA origami a fotolitografií využívanou k výrobě složitých struktur současných čipů. Toto propojení může být klíčem k masové produkci revolučních molekulárních obvodů integrovaných se současnou výrobní technologií čipů a hladkému přechodu od současné technologie na další úroveň. Aby toho výzkumníci dosáhli, navrhli nahradit cukro-fosfátové lešení fotosenzitivním diacetylenem. Následně využili detailní simulace, aby našli komplementární koncové skupiny provazatelné vodíkovými můstky, které by za výrobních podmínek současných čipů dokázaly řídit sebeuspořádání součástek.
Deriváty diacetylenu byly využity proto, že za právě těchto podmínek dokážou při primingu UV světlem nebo dodáním elektronů efektivně polymerizovat. Vhodnost různých koncových skupin, jednotek analogických DNA/RNA bazím („písmenům“ genetického kódu), výzkumníci zkoumali in silico. Jejich cílem bylo najít komplementární páry, ve kterých se dvě jednotky spolehlivě vážou jedna ke druhé a nikoli k jiným skupinám – tato vlastnost, analogická fungování DNA, je klíčem k vytvoření přesně naplánovaných obvodů. Vědci zjistili, že jednotky obsahující koncové skupiny s čistými donory elektronů jsou pro tento účel obzvlášť vhodné. Objevili šestnáct slibných kandidátních jednotek, které představují cestu pro budoucí experimentální výzkum a využití v průmyslu.
Obrázek 1: Uspořádání koncových jednotek při nasvícení UV zdrojem (ACS Nano 2024, 18, 14, 9969-9979).
Výzkum má také zajímavé aplikace pro výpočetní techniku inspirovanou DNA a umělé analogy DNA. Nejvhodnější nalezené čtyřpísmenné „abecedy“ se vyskytovaly ve velmi úzké oblasti vazebných energií 15−25 kcal/mol a zakládaly se na malém podílu testovaných koncových skupin. Ačkoli bylo možné s vysokou přesností otestovat relativně malý prostor potenciálních „písmen“, tato zjištění naznačují, že abeceda naší DNA nemusí být jen výsledkem „náhody zamrzlé v čase“, ale mohlo jít o stabilní, energeticky výhodnou možnost. V testovaném prostoru nebyly objeveny žádné šestipísmenné abecedy, ale jiné mechanismy selektivity a nekovalentních vazeb krom vodíkových můstků (jako třeba halogenové můstky) by jejich existenci mohly umožnit. Podobně by mělo být možné testovat terapeutické a farmaceutické DNA analogy.
Současná studie tak umožňuje zlepšit syntetickou dostupnost molekul a překonat překážky v experimentálních podmínkách výroby. Ačkoli většina z nás nejspíš čte tento článek na přístrojích založených na křemíkových čipech, brzy bychom se mohli dočkat hladkého přechodu k molekulární nanoelektronice, a tato práce představuje zásadní krok vpřed právě k této budoucnosti.
Původní studie: Manikandan, M., Nicolini, P., & Hapala, P. (2024). Computational Design of Photosensitive Polymer Templates To Drive Molecular Nanofabrication. ACS Nano 14, 9969–9979. https://doi.org/10.1021/acsnano.3c10575
Kontakt: Ing. Prokop Hapala, Ph.D. (hapala [at] fzu [dot] cz (hapala[at]fzu[dot]cz))