На пути к графеновой электронике

Принцип действия оптомолекулярного устройства. Красным показаны одноцепочные концы ДНК. Изомеризация происходит под действием видимого и ультрафиолетового света. Иллюстрация Nature

Греки называли технарями умелых ремесленников, создававших различную продукцию в своих эргастериях – «работных» домах, в которых прилагали свою «эргию»-умение. И поныне тем же самым, но на атомном уровне занимаются в своих лабораториях ученые различных университетов, создающие синтез уникальных технологий, порожденных их предшественниками.

Задолго до «изобретателей» графена с его уникальными свойствами другие технари создали сначала сканирующий туннельный микроскоп, а затем и микроскоп атомной силы (МАС или AFM – Atomic Force Microscope). Оба инструмента имеют идеально «заточенный» стилюс, кончик которого представлен одним-единственным атомом, который способен «цеплять» другие атомы и молекулы, передвигая их с места на место.

Эту способность МАС решили использовать сотрудники Базельского университета для определения свойств графеновой «смазки», облегчающей скольжение различных поверхностей, в том числе и металлических. Сегодня в автомобильных моторах для этого используются синтетические масла, позволившие сократить просвет между поршнем и цилиндром до микронов. Это давно уже не удовлетворяет автомобилестроителей и экологов вследствие большого токсического выброса в атмосферу.

Толщина графеновой пленки, представляющей собой монослой углерода, сопоставима с размером атома. То есть не превышает долей нанометра, в то же время прочность графена к истиранию превышает всякий мыслимый предел. Вот почему базельцы и решили измерить смазывающую способность графеновой нанополосоки, для чего поместили ее на поверхности золота. После этого они «подцепили» стилюсом один из атомов углерода нанополоски и потащили ее вверх, замеряя механическое усилие. При длине полоски 5–50 нм сила трения не превысила 2–200 пН (приставка «пико» означает тысячную миллиардной доли).

Атом на конце стилюса, «подцепивший» углерод (темный кружок). Сила взаимодействия такова, что позволяет тянуть нанополоску графена по золотой поверхности. Иллюстрация Physorg

Эксперимент хорошо согласовался с компьютерным моделированием процесса. Расхождение между расчетными и экспериментальными показателями возрастало только при удалении стилюса от поверхности золота более чем на 5 нм (для будущего мотора это уже весьма большой зазор). Другой причиной рассогласования был водород по краям графена, который не учитывался компьютером. По мнению авторов статьи в журнале Science, полученные результаты будут полезны и для инженеров-электронщиков, уже задумывающихся об использовании графена при создании наномеханических переключателей, роль которых сегодня выполняют «громоздкие» транзисторы.

Неисповедимы пути научные. Графен весьма многообещающ для наноэлектроники. Три года назад в одном из приложений к журналу Nature был предложен метод травления графеновых нанополосок с помощью так называемых ДНК-масок. Для этого на поверхность графена наносятся CAD-фигуры (Computer-Assisted Design) разной формы из молекул синтетической ДНК.

Проблема, однако, в том, что концы ее цепочек химически активны и стремятся к взаимодействию с различными молекулами и друг с другом. Это и заставило авторов обратиться к гораздо более стойкому графену. Использование таких масок позволило травить графеновую поверхность с помощью струи кислородной плазмы. Под маской остается графеновая структура желаемой формы, ДНК же смывается раствором цианистого натрия, который в отличие от калия нетоксичен.

К сожалению, пока графеновая электроника не стала коммерчески доминирующей, поэтому ученые ищут другие способы применения ДНК в наноэлектронике. Одна из свежих попыток опубликована Александром Говоровым, сотрудником университета в городе Афины (штат Огайо, США) и его коллегами в журнале Nature Communications. Они использовали хорошо известный метод получения ДНК-оригами. Ученые изготовили из ДНК два «плотика», наложив один из них под углом к другому, при этом торчащие из них «хвостики»-цепочки могут взаимодействовать друг с другом, образуя гибридные двуцепочные участки. Для этого направить световой луч в видимом диапазоне на всю эту наноконструкцию. Разрыв же цепей достигается облучением ультрафиолетом. Так, с помощью светового излучения разного диапазона происходит управление движением этих «плотиков».

Само по себе это вовсе не достижение, но в Афинах на «плотики» поместили нано-«слитки» золота, поверхность которого дает мощные плазмонные волны, объединяющие воедино поверхностные свободные электроны благородного металла. Взаимодействие плазмонов позволило получить наномеханический мотор с достаточно большой амплитудой движения ДНК-«плотиков» относительно друг друга, при этом свет дает как энергию пространственных изменений «рычагов», так и возможность считывания информации. Говоров уже предвидит будущие оптомолекулярные устройства.