Da singola molecola di DNA nasce il diodo più piccolo al mondo

diodo

Immagine – Illustrazione della giunzione realizzata dai ricercatori dell’Università della Georgia (USA) e dell’Università Ben-Gurion (Israele) inserendo la molecola di coralina nel DNA. Tale diodo potrebbe essere utilizzato nei futuri circuiti elettronici su scala molecolare. Credits: Università della Georgia e Università Ben-Gurion.

I ricercatori sono riusciti a rimpicciolire uno dei componenti fondamentali dell’elettronica moderna, creando il diodo più piccolo al mondo da una singola molecola di DNA. In realtà, è così piccolo che non è possibile vederlo nemmeno utilizzando un microscopio convenzionale.

Che cosa sono i diodi
I diodi sono dispositivi elettronici (vedi immagine 2 per alcuni esempi di diodo) che fanno fluire la corrente in una direzione, ma non nell’altra. In altre parole, sono responsabili del movimento della corrente in molta dell’elettronica di uso comune e vengono stampati a milioni sui moderni chip di silicio. Ma per aumentare la potenza di elaborazione di questi chip è necessario che vengano realizzati diodi delle dimensioni del DNA.

«Per 50 anni, siamo stati in grado di aumentare la potenza di calcolo rimpicciolendo sempre più i chip, ma ora stiamo arrivando ai limiti fisici del silicio» scrive Bingqian Xu, ricercatore dell’Università della Georgia. «Se si riducono ulteriormente le dimensioni dei chip di silicio le prestazioni potrebbero diventare imprevedibili. La nostra scoperta può portare a progressi significativi nella progettazione e nella costruzione di elementi elettronici su scala nanometrica, tali componenti saranno almeno 1.000 volte più piccoli di quelli attualmente disponibili sul mercato.»

Immagine 2 - Vari tipi di diodi a semiconduttore. In fondo alla foto: un raddrizzatore a ponte. Nella maggior parte dei diodi, una fascia verniciata bianca o nera identifica il terminale del catodo, cioè il terminale della carica positiva (corrente convenzionale) che scorrerà su quando il diodo sta conducendo. By Ulfbastel, creato da Honina, CC BY-SA 3.0, Wikipedia Commons.

Immagine 2 – Vari tipi di diodi a semiconduttore. In fondo alla foto: un raddrizzatore a ponte. Nella maggior parte dei diodi, una fascia verniciata bianca o nera identifica il terminale del catodo, cioè il terminale della carica positiva (corrente convenzionale) che scorrerà su quando il diodo sta conducendo. By Ulfbastel, creato da Honina, CC BY-SA 3.0, Wikipedia Commons.

Utilizzare singole molecole per realizzare i diodi
Quando si è iniziato a pensare di progettare diodi sempre più piccoli i ricercatori si sono iniziati a concentrare sull’impiego di singole molecole, dal momento che rappresentano la più piccola struttura stabile che si possa immaginare.

A seguito di tale linea di pensiero, il dott. Xu e il suo team hanno identificato nel DNA il candidato ideale considerato che possiede una struttura variabile, prevedibile ed è anche altamente programmabile. Nonostante tale potenzialità i ricercatori non erano sicuri della possibilità di controllare il flusso della corrente elettrica, come avviene effettivamente per un diodo. Per essere chiari, nessun diodo è perfettamente efficiente. In un mondo ideale, un diodo potrebbe bloccare il 100% della corrente in una direzione e lasciar fluire un flusso infinito di corrente nella direzione opposta.

DNA e coralina per realizzare il diodo
Il team di ricercatori ha preso un singolo DNA duplex (a doppio filamento) costituito da 11 paia di basi (piuttosto piccolo se si considera che all’interno di ogni cellula del nostro corpo abbiamo filamenti di DNA con circa 3 miliardi di paia di basi tutte raggomitolate). Hanno poi aggiunto una molecola chiamata coralina nella struttura ad elica e hanno collegato il tutto ad un minuscolo circuito elettronico della lunghezza di pochi nanometri.

Inaspettatamente i ricercatori hanno scoperto che la corrente che fluisce attraverso il DNA è 15 volte più forte per le tensioni negative rispetto alle tensioni positive, il DNA ha quindi assunto le caratteristiche necessarie per essere un diodo. «Questo risultato è abbastanza controintuitivo, perché la struttura molecolare è ancora apparentemente simmetrica dopo l’intercalazione della coralina,» sostiene Xu.

Precedenti studi per realizzare diodi molecolari
Nonostante il diodo DNA sia qualcosa di impressionante, non è efficiente come un altro diodo basato su una singola molecola realizzato da un team dell’Università della Columbia nel 2015.

Stiamo comunque parlando di un elemento che è molto più piccolo di qualsiasi altro dispositivo già realizzato, ciò significa che sarà possibile inserire più elementi su di un singolo chip e potenzialmente creare dispositivi più piccoli e più potenti.

Conclusioni
Il team sta pianificando di realizzare altri elementi elettronici molecolari e sta inoltre analizzando le modalità per migliorare ulteriormente l’efficienza dei diodi DNA. I ricercatori puntano ad ottenere prestazioni simili a quelle dei diodi al silicio. Forse in futuro si potrà avere elettronica funzionale costruita su scala molecolare che permetterà di realizzare dispositivi elettronici sempre più potenti ed efficienti dal punto di vista dei consumi elettrici. Il lavoro del team di ricercatori, supportato dalla National Science Foundation, potrebbe aver raggiunto una pietra miliare importante nel percorso evolutivo dell’elettronica.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Chemistry.

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Da singola molecola di DNA nasce il diodo più piccolo al mondo ultima modifica: 2016-04-14T13:32:07+00:00 da Richard
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Richard

Noi siamo l'incarnazione locale di un Cosmo cresciuto fino all'autocoscienza. Abbiamo incominciato a comprendere la nostra origine: siamo materia stellare che medita sulle stelle. (Carl Sagan)