Транзисторный контроль потоков.

ЗАБУДЬТЕ О ПРОВОДАХ – КОНТРОЛИРУЙТЕ ГАЗЫ И ЖИДКОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ

ЧАРЛЬЗ О. ЧОЙ

Сердцем современной электроники являются транзисторы, которые работают подобно клапанам, направляющим поток электронов. В настоящее время исследователи Калифорнийского университета в Беркли создали первый транзистор, контролирующий молекулы веществ при помощи электричества. Транзистор соединяет их в микроскопических пробирках и чашах Петри, где эти наноразмерные транзисторы ведут к созданию микросистем полного анализа (технология LOC), которые действуют без подвижных деталей.

Подобно тому как тридцатитонные компьютеры уменьшались десятилетиями до микроскопических размеров, исследователи сейчас используют миниатюрные лаборатории, которые проводят миллионы экспериментов одновременно, а также и высокоскоростной анализ ДНК, протеинов и других молекул. Хотя трубопроводные арматуры и насосы существуют для контроля потока жидкостей и газов в крошечных каналах, их не так-то легко превратить в миниатюрные, для использования на нанометрических уровнях, утверждает механический инженер Беркли, Арун Маджумдар.

Вместо того, чтобы полагаться на механические воздействия, Маджумдар с коллегами предположили, что силиконовые транзисторы могут электрически воздействовать на ионы, растворенные в жидкостях и газах, так же легко, как и на электроны. Предшествующая попытка контролирования ионов через заряд поверхности микрофлюидных каналов привела к тому, что ионы быстро прикреплялись к стенкам канала и аннулировали электрическое напряжение, защищая остальную жидкость от дальнейших электрических манипуляций.

Вместе с Пейдон Янг, Рут Карник, Роном Фаном и другими коллегами Маджумдар обнаружил, что каналы меньше 100 нанометров в длину достаточно малы, чтобы дать возможность электрическим полям сломать защиту. После создания канала, высотой 35 нанометров, соединяющего 2 кремниевые пластины, которые в свою очередь заполнены хлористым морским калием, ученые продемонстрировали, что напряжение приложенное через нанофлюидный транзистор может переключать ионный поток калия. Результаты были замечены с помощью кварцевых транзисторов, сделанных из труб шириной от 10 до 100 нанометров. «Это очень хорошая основополагающая наука и гениальная идея. Они искусно используют преимущества физического воздействия, которое доминирует даже на очень маленьких каналах», отмечает биофизик Стенфордского Университета Стивен Квейк.

Большинство биомолекул заряжается электрически, что в свою очередь позволяет транзистору эффективно воздействовать на фрагменты ДНК. Маджумдар рисовал в воображении нанофлюидные транзисторы, способные быстро сортировать поворотные движения молекул в клетках по их массе и заряду, тем самым помогая очищать последовательность ДНК или находить следы заболевания.

В настоящее время транзисторы работают над фемтолитровым (10 ^-15литр) или меньшим количеством жидкостей или газов, ориентировочно одна целая одна сотая объема красных кровяных телец (эритроцитов). Теоретически, они способны обнаруживать и воздействовать на одиночные биомолекулы для гиперчувствительных детекторов биологических орудий их также можно назварь - «лаборатория для одних молекул, где вы можете держать их для наблюдений и изучать их поведение с помощью света, силы или любого другого стимулирующего воздействия», утверждает Маджумдар.

Силикон дает нам возможность построить нанофлюидные транзисторы в том же самом чипе для компьютерного надзора за химическими или биологическими процессами. В ранних прототипах электрическому напряжению требовалось 75 вольт для включения и выключения потока ионов, что слишком высоко для соединения с современными завершенными цепями. Но Маджумдар поясняет, что они сбрасывают подключенное электрическое напряжение до достаточно низкого одного вольта путем утоньшения стенок канала. Дальнейшими планами нашей команды в освоении огромного количества транзисторов является соединение нанофлюидных транзисторов вместе в одну интегрированную цепь, что должно занять чуть менее года.

Чарльз О.