DNA ile Bilgisayar Montajı >> Mühendisler canlı DNA ile dünyanın en küçük ve hızlı organik devrelerini üretecek

Bugüne dek DNA’dan üretilen organik bilgisayarlar görmüş ve bilim adamlarının DNA’ya veri depoladığına tanık olmuştuk. Ancak canlıların temel genetik malzemesi olan DNA’nın yarıiletken devre montajında kullanılacağını ilk kez duyuyoruz. Amaç bugünkü silikon devrelerden çok daha küçük ve hızlı devreler üretmek.

Stanford Üniversitesi’nden Kimya Profesörü Zhenan Bao ve ekibi,  insan hücrelerinde protein sentezi yapan “mitokondri” organcığından esinlenerek çipset üretiminde DNA kullanmayı planlıyor. DNA sentezine benzeyen bir teknikle “grafenden” üretilen devreler az enerji harcayarak yüksek performans sağlayacak.

 

DNA sarmalının hücre bölünmesi sırasında ikiye ayrılması gibi üretilen ve sadece tek bir atom kalınlığında olan “grafen şeritler”, elektronik devre kartlarının üstüne saç teli gibi yan yana döşenecek. Metrenin 100 milyonda biri boyundaki grafen transistorlar elektrik harcamalarını önemli ölçüde azaltacak.

Dünyanın insan icadı en hafif materyali aerojele temel olan grafen tıpkı elmas, kurşun kalemlerde kullanılan grafit ve nanoteknoloji harikası karbon nanotüpler gibi kristal yapılı karbon atomlarından oluşuyor. Bal peteğine benzeyen mikroskobik altıgen şekillerden meydana gelen tüyden hafif grafen, “enerji bant aralığı özelliği” sayesinde endüstride verimli bir yarıiletken olarak kabul ediliyor.

 

 

Organik süper bilgisayarlara ilk adım

Stanford Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümünde araştırmalarını sürdüren ve silikon devrelerden çok daha hızlı ve küçük bilgisayar çipleri geliştirmeyi amaçlayan Profesör Zhenan Bao, DNA yardımıyla yüksek verimlilik sağlayan grafen elektronik devreler üretmeye hazırlanıyor.

Bilgisayar devreleri Moore yasası¹ uyarınca gittikçe küçülüyor ve hızlanıyor. Örneğin işlemci performansı her 18 ayda iki katına çıkıyor ama fiziksel engellerden dolayı, silikon devreler birkaç yıl içinde artık daha fazla küçülemeyecek.

 

 

O zaman daha küçük ve hızlı devreleri yepyeni materyallerden üretmek gerekecek. Grafen devreler bunlardan biri: Bao’ya göre nanoteknoloji yöntemleriyle metrenin 100 milyonda biri ölçeğinde üreteceğimiz “alan etkili transistorlar”, yani kısa adıyla FET’ler, bilgisayarlarda az elektrik harcayarak çok iş yapacak.

Bao ile arkadaşları sadece tek bir atom kalınlığında ve 20 ila 50 atom genişliğinde olan grafen şeritleri DNA’dan protein sentezlemeye benzeyen bir yöntemle üretmek istiyor. Ardından bu mikroskobik şeritleri devre kartlarına saç teli gibi yan yana döşeyerek, dünyanın en küçük ve hızlı transistorlarını kullanıma sunacaklar.

Bao’nun grafen şerit üretmekte kullanacağı yöntem, biraz da kızların kırık saç tellerini elle tek tek ayırmasına benziyor. Ancak bu işlem atom ölçeğinde DNA yardımıyla yapılıyor. Grafen devreler plastikten ve DNA’dan üretilen geleceğin ilk melez organik bilgisayarlarını yaratmakta kullanılacak.

 

 

Neden DNA?

Bao’nun çalışma arkadaşı ve bilimsel makalenin ortak yazarı Doç. Dr. Anatoliy Sokolovco neden DNA kullandıklarını şöyle açıklıyor: “Sadece tek bir atom kalınlığında ve 20 ila 50 atom genişliğinde olan bir materyal üretmek tahmin edebileceğiniz gibi çok zor bir şey.”

Stanford ekibi bu güçlüğün üstesinden gelmek için grafen elektronik devrelerin montajında DNA kullanmaya karar verdi! Öncelikle, DNA şeritleri fiziksel olarak grafen gibi süper ince ve uzun bantlar oluşturuyor. Bu da DNA kadar küçük grafen “tellerin” üretilmesini ve transistor montajında kullanılmasını kolaylaştırıyor. Bu yöntemde grafen teller klasik transistorlardaki bakır tellerin yerine geçiyor.

 

 

İnsan DNA’sı ile grafen kardeş sayılır

En azından bir anlamda: Kimyasal açıdan bakarsak hem DNA molekülleri hem de grafende karbon atomları bulunuyor. Bu durumda, hücre bölünmesi sırasında ikiye ayrılan DNA moleküllerini grafen şeritleri “sentezlemekte” kullanmak doğal görünüyor. Bilim adamları, mikroskobik DNA’yı yine mikroskobik grafen tellerin (şeritlerin) üretiminde kullanmak istiyor. Peki nasıl?

 

 

1. Araştırmacılar sistemi laboratuarda denemek için önce küçük bir silikon tabla aldılar. Bilgisayar devrelerinin basıldığı kartların imalatında kullanılan silikon tabla, grafen devreler için inşaat temeli işlevini gördü.
2. Daha sonra silikon tablaya bakterilerden alınan DNA çözeltisi damlattılar ve genetik mühendisliğindeki standart tekniklerle, çifte sarmal DNA’yı insan saçı gibi taradılar ve şeritler halinde uzatarak açtılar (yandaki resme bakabilirsiniz).
3. Ardından tabladaki DNA’nın üzerine bakır–tuz çözeltisi döktüler. Böylece çözeltideki bakır iyonları DNA tarafından emildi.
4. Sonraki aşamada silikon tabla ısıtıldı ve metan gazında yıkandı. Metan gazında grafen üretiminde kullanılacak karbon atomları bulunuyordu. İşte burada metan, bakır–tuz çözeltisi ve DNA’nın kimyasal özellikleri devreye girdi. Bunların birbiriyle reaksiyona girmesiyle üretilen ısı, DNA ve metan gazındaki bazı karbon atomlarının kopup serbest kalmasını sağladı.
5. Serbest kalan karbon atomları hızla birleşerek kararlı mikroskobik altıgen şekiller, yani grafen maddesini oluşturdular. Atomlar serbest kalmakla birlikte kuruyan çözelti içinde buharlaşıp dağılmadığı için, DNA şeritlerine benzer formunu koruyarak, metrenin 100 milyonda birindeki grafen telleri meydana getirdi. DNA’nın doğal şekli karbon atomlarının grafen şeritleri oluşturmasını sağladı.

 

 

Moore yasasını delmek için

Sokolov, “Bu yöntemle ilk defa DNA’yı ince şeritler sentezlemekte kullanabileceğimizi ve böylece çalışan transistorlar üretebileceğimizi gösterdik” diyor. Ancak Profesör Bao’nun dediği gibi, laboratuar imalat tekniklerinin gerçek organik bilgisayar üretiminde kullanılması için bunların geliştirilmesi ve büyük ölçüde rafine edilmesi gerekiyor.

Örneğin, grafen her yerde tek bir atom kalınlığında olmalı ve grafen şeritlerin / tellerin genişliği de her yerde aynı olmalı. Halihazırda grafen atomlarında topaklanma var ve bu şekilsiz yapılar grafenin elektronik devre üretiminde kullanılmasını engelliyor.

 

 

Bakır ve silikondan daha küçük devreler üretmek zorlaşıyor

Yine de iki yılda bu kadar ilerleme kaydedilmiş olması, önümüzdeki senelerde silikon–bakır devrelerin demode olacağı anlamına geliyor. Bu da iyi bir şey: Silikon devreler daha fazla küçülürse, elektronlar kuantum fiziğindeki Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi nedeniyle transistor telleri arasında rastgele sıçrayarak bilgisayar devrelerinin kısa devre yapmasına yol açacak.

Yonga tasarımcıları daha güçlü çipler üretmek için transistorların boyunu sürekli küçültüyor. Elektronik devreler adı üstünde elektrikle çalıştığı için, transistorlarda gittikçe küçülen mikroskobik alana çok daha fazla elektrik yükü biniyor. Sonuçta çipler aşırı ısınarak kısa devre yapıyor.

Daha hızlı ve daha küçük bilgisayarlar için elektronik devreleri küçültmenin tek yolu artık atom boyunda çipsetler üretmek. Bu da ancak grafen gibi yeni materyallerle mümkün. 🙂

 

 

Grafen nano materyaller süper ince ve esnek telefonların üretiminde kullanılacak (Samsung):

 

 

 

¹Nitekim silikon devrelerde küçülme 2013’te yavaşlayacak. Bundan sonra 2 kat küçülme her 3 yılda bir olacak: “Overall Technology Roadmap Characteristics”. International Technology Roadmap for Semiconductors. 2010.

²Anatoliy N. Sokolov et al., Direct growth of aligned graphitic nanoribbons from a DNA template by chemical vapour deposition, Nature Communications, 2013, DOI: 10.1038/ncomms3402