Els efectes quàntics són clau per a una electrònica basada en l'ADN

Article publicat per Cathal O'Connell el 21 de juny de 2016 a Cosmos Magazine i en castellà a Ciencia Kanija per Manuel Herman el 22 de juny de 2016.

Podria la molècula de la vida convertir-se en la molècula de la electrònica? Els científics han donat un altre pas endavant cap a fer-ho realitat. Els patrons dels parells de bases de l'ADN que codifiquen els nostres gens, poden també usar-se per ajustar el flux de l'electricitat, segons han descobert investigadors nord-americans.

El treball podria algun dia portar-nos fins a una electrònica basada en l'ADN, feta de components molt més petits que els que es comprimeixen en els actuals circuits d'ordinador basats en el silici.

A Nature Chemistry un equip dirigit per Nongjian Tao de la Universitat Estatal d'Arizona descriu com el patró de bases (A, C, G o T) pot fer que l'electricitat flueixi tan fàcilment per l'ADN com per un cable metàl·lic, o en petits salts com en els semiconductors.

Electrònica basada en l'ADN Crèdit: Alex Belomlinsky

Aquest enfocament es basa en l'aprofitament de la natura quàntica de l'electró, a determinar si els electrons actuen com ones o partícules quan es mouen a través d'una cadena d'ADN. 

Durant dècades, els enginyers han estat apinyant cada vegada més elements de circuits en els xips de computadors, fent que els components individuals, com els transistors, siguin més petits. El problema és que aquesta disminució no pot seguir per sempre. Finalment aconsegueixes un límit on els transistors veïns interfereixen entre si. Per anar més enllà del silici, els científics estan buscant fer una electrònica basada en molècules individuals. I l'ADN és una de les molècules més prometedores per construir components electrònics, havent estat descoberta per la natura fa 3.800 milions d'anys.

Els avantatges clau de l'ADN són la seva estabilitat i la forma en què pot programar-se per acoblar estructures predissenyades. El 2009, per exemple, els científics van usar ADN com a una placa de circuits per acoblar components electrònics separats per 6 nanòmetres, molt menys del que permet l'actual processament amb silici.

L'ADN també té una conductivitat elèctrica interessant, tot i que les seves propietats mesurades han variat d'una forma una mica difícil d'explicar. Al 2014, per exemple, els científics van desenvolupar cables basats en ADN que demostraven que poden conduir l'electricitat tant gairebé com els metalls. I a l'abril d'aquest any (NdT 2016), investigadors de la Universitat de Geòrgia van crear el díode més petit de món (un dels blocs bàsics fonamentals de la computació) a partir d'una cadena d'ADN de tot just 11 parells de longitud. En aquest cas, l'ADN actuava més com un semiconductor.

El nou treball proporciona una comprensió sobre per què una molècula d'ADN pot tenir unes propietats tan diferents (metàl·liques o semiconductores). El truc, com en el nostre genoma, és el patró de bases ACGT al llarg de la nostra cadena d'ADN. Cada parell de bases té una conductivitat elèctrica diferent, però crear un ADN conductor no és simplement inserir una llarga seqüència de la base més conductora. En lloc d'això, Tao i el seu equip van observar que necessitaven crear patrons de bases que compartien electrons entre si, de manera similar a la forma en què es comparteixen electrons en els àtoms d'un metall. Per exemple, alternar sèries de cinc bases de guanina (G) creava la millor conductivitat elèctrica.

Encara que estan compartits entre bases, els electrons es poden moure fàcilment per l'ADN gràcies a la propietat de túnel quàntic (l'estrany efecte quàntic que permet a les partícules "travessar les parets").

Però quan l'ADN està codificat en altres configuracions, els electrons es mouen més com partícules, saltant pels brins. "Pensa en això com en intentar creuar un riu", diu Limin Xiang, coautor de la feina. "Pots creuar ràpidament usant un pont, o pots saltar d'una roca a una altra". L'equip va validar la teoria unint brins d'ADN entre un parell d'elèctrodes d'or, i mesurant la seva resistència a un petit corrent.

Usant aquest enfocament, els científics van poder dissenyar circuits basats en l'ADN amb diferents molècules actuant com diferents elements de circuit (cables, díodes, resistències, etc...). De moment, l'equip només ha posat a prova brins de fins a 16 parells de bases de llarg. Encara no sabem si podrem construir dispositius robustos i duradors. 

L'electrònica molecular és improbable que reemplaci als dispositius semiconductors en un futur proper, però el que és interessant de les molècules és que poden realitzar una varietat de tasques que van més enllà del que poden fer els semiconductors, com ara fer de sensors en un entorn químic.

Un disseny d'ADN podria formar l'esquelet d'un nou tipus de dispositius especialitzats, com ara olfactes electrònics. I això no és una cosa que es pugui menysprear alegrement.

Autor de l'original: Cathal O’Connell
Traducció: Manuel Hermán
Traducció al català: Sci-bit

Ho he vist aquí.