Ученые из исследовательского центра IBM Almaden Research Center, США на базе обычного атомно-силового микроскопа создали производственный модуль, который может сортировать молекулы и выкладывать из них различные двумерные наноструктуры.
Атомно-силовой микроскоп, или АСМ - самый распространенный инструмент нанотехнолога, на его основе проводится большинство исследований физики твердого тела, выполняется тестирование новых типов производства двумерных и трехмерных наносистем, изучаются биологические макромолекулы (ДНК, РНК, белки). Поэтому неудивительно, что у такого многостороннего инструмента появилось еще одно применение.
Удивительно другое - ученым удалось с помощью АСМ ускорить работу электрофорезной сортировки, которая широко используется при секвенировании ДНК и изучении белков.
"Использование АСМ в сортировке молекул - отличная находка для нас, так как такой подход обеспечивает высокоскоростное и надежное отделение молекул одних типов от других, - комментирует Дэвид Гарфин (David Garfin), президент американского общества по изучению электрофореза (American Electrophoresis Society). - Сегодня для того, чтобы отделить одну молекулу от другой, необходимо поместить их в капилляр, наполненный гелем и подвергнуть воздействию электромагнитного поля, и, через несколько минут, а иногда и часов, мы можем достичь результата. И вот, сегодня стало известно, что этот процесс можно ускорить в сотни раз, используя наработки ученых из IBM. Продемонстрированная ими "сырая" технология технологического процесса сортировки впечатляет своим быстродействием и надежностью".
Рис. 1. Принцип действия АСМ-сортировщика
Для примера ученые работали с молекулами ДНК разной длины. Оказалось, что они могут перемещаться под действием эффекта электрофореза вверх и вниз по зонду-кантилеверу АСМ, причем скорость их перемещения зависит напрямую от длины. Так, например, ДНК с пятью базовыми основаниями спускалась вниз по зонду АСМ длиной 11.2 микрон за 5 миллисекунд, а молекула с 16 основаниями - за 15 миллисекунд.
Более того, после преодоления этого расстояния, молекулы съехали на подложку микроскопа, таким образом, двигая зонд АСМ, можно было "писать" различные слова и создавать двумерные наноструктуры, как если бы мы печатали струйным принтером по бумаге. Только вместо чернил - молекулы ДНК разного размера, а вместо бумаги - подложка микроскопа.
"Мы смогли управлять движением десяти молекул ДНК разной длины, а это значит, что ДНК-сортировщик может пригодиться при анализе сверхмалых биологических образцов, не прибегая к "долгому" электрофорезу", - говорит ученый Камар, один из исследовательской группы IBM.
Расскажем поподробнее о принципе действия новой технологии. Молекулы ДНК разного размера хранились в резервуаре под зондом АМС. Как только ученые подавали на зонд напряжение, молекулы разных типов "выползали" из резервуара и спускались вниз к концу зонда, причем, со скоростью, зависящей от их размера. Так, сначала возле подложки оказались короткие молекулы, а через время- длинные. Как только все молекулы оказались "внизу", ученые поменяли полярность напряжения, заставив молекулы подниматься обратно. И в этот момент, контролируя их подъем, они оставили некоторые молекулы "внизу". Так и происходил цикл всего письма - нанесением поэтапно молекул нужного размера.
Рис. 2. Логотип компании IBM, написанный из 5-ти основных ДНК
Освоившись с нанописьмом, ученые выложили из молекул ДНК с пятью основаниями логотип компании IBM. Габариты логотипа составили всего 3.3 х 8.8. микрон. Толщина же линии, которой писали ученые, составила 59-79 нанометров.
Как говорят исследователи, тот же метод можно применить при построении наноэлектронных цепей, в которых роли транзисторов будут играть отдельные молекулы.
"Мы можем "писать" молекулами только когда электрическое поле присутствует, - поясняет Камар. - То есть, если нам необходимо, мы можем поднять зонд, перевести его на другое место и там писать снова без потери молекул. Также благодаря контролируемому нанесению молекул на основание эта технология производства менее чувствительна к химическим свойствам подложки".
