Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2008 № 12
Так вот, это свойство, которое называется подвижностью электронов, в графеновых пленках близко к абсолютному идеалу; электроны практически не рассеиваются и весьма мало реагируют на изменения внешней среды.
Однако произвести точные замеры свойств графена ученым долгое время не удавалось — уж слишком тонка пленка. А потому только недавно выяснилось, что по подвижности электронов графен превосходит все известные на сегодня вещества и в 20 раз выше, чем в арсениде галлия. Это открывает блестящие возможности разработки новых, еще более скоростных, компонентов схем микроэлектроники. Речь уже пойдет не о мега- и гигагерцах, как в нынешних компьютерах, а о террагерцах, то есть в 1000 раз более высоких показателях.
Далее ученые приступили к созданию графенового полевого транзистора, который, используя электрическое поле, обеспечивает так называемый баллистический транспорт электронов, при котором они практически не рассеиваются.
Заготовка графеновой пленки для изготовления транзисторов.
В общем, оказалось, что баллистические транзисторы в принципе способны работать гораздо быстрее, чем обычные кремниевые. А потому открытие Гейма — Новоселова вызвало большой интерес к графену как к материалу для электроники нового поколения.
Однако есть и определенные препятствия на пути внедрения графеновых структур в производство. Главное — нет еще технологии, которая бы позволила наладить массовое производство графеновых структур с одинаковыми показателями — пока пленки делают практически вручную.
Впрочем, как полагают энтузиасты нового направления, это лишь трудности роста молетроники — микроэлектроники, схемы которой оперируют уже с отдельными молекулами. Ведь первые транзисторы тоже рождались не просто. И было немало скептиков, считавших, что лучше радиоламп вряд ли можно что-то придумать. Кроме того, графеновые пленки могут оказаться весьма перспективны в качестве покрытий для экранов мобильных телефонов и элементов солнечных батарей, в качестве чувствительных элементов в газоанализаторах.
Выступая во время церемонии вручения Europhysics Prize, Андре Гейм выразил уверенность в том, что в ближайшем будущем слово «графен» станет столь же широко известным, как «кремний».
К сказанному остается добавить, что полученная исследователями награда присуждается ежегодно с 1975 года. Причем восемь лауреатов Europhysics Prize в разное время были награждены также и Нобелевской премией.
Структура графена при сильном увеличении.
Промежутки в графеновых структурах имеют уже молекулярные размеры.
С. НИКОЛАЕВ
СЛЕДИМ ЗА СОБЫТИЯМИ
Сочиненная ДНК
В свое время мы рассказывали о том, как американские ученые создали первый в мире синтетический микроб, «склеив» в определенном порядке кусочки природных ДНК (дезоксирибонуклеиновых кислот) (см. «ЮТ» № 1 за 2003 г.). Недавно же японские ученые сумели впервые в истории создать почти полностью синтетическую молекулу ДНК. Чего можно ожидать от этого эксперимента?
Японский «фокус»
Создателями молекулы, еще не известной природе, стала группа сотрудников университета Тоямы под руководством Масахико Инойе. Экспериментаторам удалось собрать молекулу ДНК из нетипичных элементов. В ней все четыре «буквы» используемого природой генетического «алфавита» — азотистые основания аденин, гуанин, тимин и цитозин — были заменены на видоизмененные азотистые основания, в частности, на изо-гуанин, изо-тимин и так далее. Затем они были встроены в природный каркас знаменитой двойной спирали ДНК, состоящий из дизоксирибозы. В итоге получилась стабильная молекула, которая закручена в точности так, как и ее природный прототип.
В принципе ученые уже давно научились собирать из кусочков натуральных ДНК и РНК нужные им цепочки. Еще в 1959 году испанец Севере Очоа и американец Артур Корнберг получили за соответствующие работы Нобелевскую премию. Удавалось ученым собирать ДНК и с частично замененными «буквами», но вот заменить весь «алфавит» получилось впервые.
Никакого логичного кода искусственная ДНК пока не содержит. Ученые, словно дошкольники, составили из изобретенных ими «букв» некое сочетание. Тем не менее, на мысль о возможности появления в какой-нибудь лаборатории доселе невиданных «зверей» такой эксперимент уже наводит. Ведь ДНК — хранительница генетической информации живых организмов. Стало быть, научившись менять ДНК по своему усмотрению, можно, в принципе, «конструировать» организмы с наперед заданными свойствами. Например, вырастить груши на вербе или воссоздать мифического кентавра.
Смысла пока не имеет…
Впрочем, ряд ученых предлагает не торопиться с выводами. Вот какой точки зрения, к примеру, придерживается заведующий лабораторией генетических основ клеточных технологий Института общей генетики им.
Н.И. Вавилова Российской академии наук профессор Сергей Киселев. «Создание японскими учеными первой почти полностью синтетической молекулы ДНК является яркой демонстрацией тончайшей техники эксперимента, но для генетических исследований, биологической науки значение полученного результата пока не очень понятно», — сказал он.
«В природе молекула ДНК всегда несет в себе некий смысл, некую генетическую информацию, — пояснил ученый, — молекула же, синтезированная японскими учеными, представляет собой химическую молекулу неживого вещества».
Таким образом, по мнению нашего ученого, «собранная в Японии молекула — это скорее успех комбинаторной химии или структурного моделирования химических молекул». Тем не менее, усилия экспериментаторов не пропали даром. «Искусственная ДНК предоставляет возможность хранения огромного объема информации за счет комбинирования букв генетического алфавита, — считает С. Киселев. — Полученный результат представляет собой определенный шаг вперед, поскольку на основе таких молекул, возможно, удастся создать биокомпьютер».
Элемент нанобиоэлектрoники
Сходной точки зрения придерживается и директор Института математических проблем биологии РАН Виктор Лахно. Он полагает, что разработанная профессором Масахико Инойе и его коллегами методика может оказаться весьма полезной, например, в области нанобиоэлектроники.
Основная идея этого научного направления заключается в том, чтобы использовать для создания электронных элементов — транзисторов, диодов, сопротивлений — не полупроводники, а биологические элементы — белки, ДНК, РНК и другие, поскольку молекулы ДНК проводят ток. А синтетические ДНК можно будет даже попробовать наделить свойствами сверхпроводимости.
Обнаружение же проводящих свойств молекулы ДНК, полагает российский ученый, открывает ошеломляющие перспективы. Как уже говорилось, ДНК является хранилищем всей генетической информации у всех живых существ. Причем параметры этого хранилища весьма впечатляющи. Так, диаметр молекулы ДНК составляет 2 нанометра, то есть всего две миллиардные доли метра. И длина ее не так уж велика — около 2 м. Вместить же она может такое количество информации, которое и не снилось самым сверхсовременным суперкомпьютерам.
ДНК уникальна еще и тем, что это единственная молекула, которая способна воспроизводить саму себя. Стало быть, методами самосборки из ДНК можно конструировать различные схемы, пространственные фигуры, решетки…
В Институте математических проблем биологии уже предложен проект создания электронного нанобиочипа, работающего на принципах измерения проводимости отдельных фрагментов ДНК. Его использование позволит не только диагностировать множество заболеваний, но и открыть невиданные перспективы моделирования жизни любого человека, своевременного вмешательства с помощью генетической терапии в случае какой-либо угрозы его здоровью.
Другим важнейшим для нанобиоэлектроники направлением является создание логических элементов на основе небольших фрагментов ДНК, что позволит в миллиард раз увеличить производительность компьютеров.
Сейчас уже создана биоэлектронная память на основе вируса табачной мозаики, которая в 100 раз превосходит по емкости полупроводниковую память. Использование проводящих свойств ДНК позволяет сделать плотность записи информации в миллионы раз большей, чем в современных устройствах. Вся информация, накопленная человечеством за время его существования, сможет поместиться на одном крошечном чипе.
В России, по словам ученого, освоена также технология создания нанопроводов на основе ДНК и бактериофагов. Причем нашими специалистами совместно с французскими коллегами сделано фундаменальное открытие — выявлена сверхпроводимость ДНК-проводов при сверхнизких температурах.
