Отказ от традиционных технологий и переход к созданию сверхминиатюрных электронных устройств на базе молекул ДНК может обеспечить отрасли долгожданный прорыв в наномир. В этом убеждены ученые Беларуси, закладывающие научный задел для нового направления.

В последние годы мировая микроэлектронная индустрия последовательно осваивала технологические уровни в 32, 28, 22, 14 и даже 10 нанометров. Возможно, еще пару нанометров удастся отвоевать. Но дальше ― стена. Однако за этой стеной успешно действует живая природа, для которой несколько нанометров и даже доли нанометров ― обычный «технологический уровень». Например, поперечное сечение макромолекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) составляет всего 2 нанометра. И важно, что ее, эту молекулу, сегодня может производить не только природа, но и человек, причем современные методы органической химии и молекулярной биологии позволяют синтезировать ДНК любой заданной длины и структуры.

На эту молекулу, обладающую удивительным свойством самоорганизации, способную надстраиваться до бесконечности, и обратили внимание создатели перспективных технологий наноэлектроники. Но в ДНК они увидели не биологический, а технический объект ― почти готовый материал для создания тончайших проводников в микросхемах. Нужно было только научиться делать биологическую молекулу токопроводящей и придумать, как выстилать такую «электропроводку» по задуманной схеме.

Первые публикации о работах в этой области, появившиеся в 2005 ― 2006 годах в «Science» и других научных изданиях, принадлежат ученым Кембриджского университета (Великобритания), Университета Миннесоты (США) и Brigham Young University (США). Успехи у зарубежных ученых пока скромные, но обнадеживающие, что позволяет уже сегодня говорить о достижимости поставленной цели и хороших перспективах первопроходцев получить технологическое и экономическое преимущество. Эти аргументы и сыграли в пользу совместной заявки, поданной учеными Института физико-органической химии и Института химии новых материалов Национальной академии наук Беларуси на участие в государственной программе научных исследований «Конвергенция». Разумеется, желание соперничать на равных с известными научными центрами было большой дерзостью, поскольку понятно, какие деньги закладываются в заморскую науку. Но тему утвердили.

―Хотя технологии, которые, как мы надеемся, будут созданы по результатам наших исследований, относятся к принципиально новым, оригинального оборудования, к счастью, они не требуют, ― говорит заведующий лабораторией химии биоконъюгатов Института физико-органической химии НАН Беларуси Вадим Шманай. ― Для решения новых задач мы используем ДНК-синтезатор, оборудование, предназначенное для проведения полимеразной цепной реакции, атомно-силовой микроскоп и другие современные средства, имеющиеся у наших коллег в Институте химии новых материалов НАН Беларуси и у фирмы-партнера «Праймтех». Это позволяет вписываться в скромный бюджет и каким-то образом уравнивает исследовательские возможности с зарубежными лабораториями. Аспирант Максим Татульченков уже освоил методы получения молекул ДНК различной длины и провел серию успешных опытов по их пространственной ориентации, ведутся эксперименты по ее металлизации. К 2015 году, когда научный проект будет завершен, мы рассчитываем предоставить коллегам из Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники исчерпывающую информацию о перспективах новой технологии, чтобы можно было перейти к опытам на модельных образцах электронных устройств.

Чтобы было понятно, с чем ученым приходится работать, прошу обратить внимание на клубки нитей на коллаже, которые дизайнер, желая подчеркнуть их объем, вписал в модель куба. Это и есть молекулы ДНК, которые, не только свиты в изящную спираль, но еще и загадочным образом изгибаются, изламываются под разными углами, образуя объемный клубок. Двойная цепь ДНК составлена из миллиардов звеньев, но видов этих звеньев всего 4, поэтому «конструктор» относительно прост.

Молекула ДНК, взятая у любого организма, способна играть роль матрицы, на которой, используя всего 4 реагента, ученые могут искусственно наращивать цепь с заданной последовательностью звеньев. Поскольку молекулы ДНК способны самоорганизовываться, можно рассчитать и затем синтезировать такие структуры, которые самопроизвольно сложатся, например, в виде какого-либо слова или рисунка. В таком случае руководство «строительством» берет на себя человек: пишется специальная программа для компьютера и ДНК-синтезатор автоматически, небольшими порциями, в строго заданном порядке подает в рабочую зону нужные реагенты, чтобы выполнить работу в полном соответствии с «проектной документацией». Надо заметить, что природная цепь ДНК в результате сложных процессов самоорганизации сворачивается в трехмерную структуру, но современные технологии синтеза позволяют выстелить молекулу в двух измерениях ― на плоскости. Именно такой подход, по мнению авторов проекта, больше всего устроит создателей чипов.

После того как живая нить сформировала нужный рисунок, ее предстоит металлизировать. Для этого, по одному из возможных вариантов, нужно насытить молекулу ионами серебра и золота, восстановить эти крохотные частицы до металла, а затем сплавить их, чтобы образовалась сплошная токопроводящая лента, повторяющая конфигурацию цепочки ДНК.

―Если в первой части работы, которая касается синтеза заданных структур ДНК, исследования у нас развиваются успешно, то для металлизации мы сделали лишь прикидочные эксперименты, и для достижения положительных результатов предстоит еще выполнить большой объем исследовательской работы, ― признается Максим Татульченков. ― Но надеемся, что за оставшиеся до завершения программы 3 года добьемся результата и здесь. Ведь у наших зарубежных коллег это получается. Мы, кстати, не только пытаемся повторить их достижения, но и развиваем свои идеи, которые еще никто не пытался реализовать. Одна из ключевых наших идей ― использование разработанных нами реагентов, позволяющих добиться управляемого ветвления молекулы ДНК, чтобы можно было встраивать в эти точки разветвления специальные молекулы, которые будут играть роль молекулярных транзисторов. Здесь у нас есть хорошие наработки, и на перспективы мы смотрим с оптимизмом. Но мы реалисты и считаем, что о производстве описанных наноматериалов нам сегодня думать еще рано ― до этого далеко. Мы просто пытаемся заложить научные основы и подходы. Правда, пока специалисты в области микроэлектроники проявляют к работе только недоверчивое любопытство. Слишком непривычно осознавать, что молекулярные элементы живых организмов, хранящие генетическую информацию, могут каким-то непостижимым образом сложиться в суперкомпьютер. Но надеемся, что реальные технологии будут созданы и спрос на них появится даже в нашей стране. Ведь, как это часто бывает, чтобы появился спрос, нужно сначала сделать предложение.

Дмитрий Патыко