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News: Organische Nanoelektronik

Ein silberbesetztes Stück DNA, dessen Durchmesser nur halb so groß ist wie die kleinsten technischen Nanoleiter, kann elektrischen Strom leiten. Dies könnte der erste Schritt zu noch kleineren Mikroschaltkreisen sein.
Forscher vom Technion-Israel Institute of Technology nutzten DNA-Stränge, um winzige Silberteilchen zu einem Leiter zusammenzufügen, der 1000 Mal dünner ist als ein menschliches Haar (Nature vom 19. Februar 1998).

Die Nanoschaltungen der Zukunft werden aus Drähten, Transistoren und anderen Komponenten bestehen, deren Ausmaße in Milliardstel Teilen eines Meters zu messen sind (ein Nanometer oder ein Milliardstel Meter ist etwa so lang wie fünf aneinander gereihte Kohlenstoffatome). Indem die Wissenschaftler sehr viel mehr Komponenten dichter zusammenpacken, könnten sie Computerchips produzieren, die viel schneller und ungleich ausgeklügelter sind als die heutigen.

Schon früher haben Forscher die DNA benutzt, um kleinste Nanopartikel von Halbleitern und anderem elektronischen Material zu kristallartigen Gittern und weiteren regelmäßigen Strukturen anzuordnen. Doch bis dato hatte noch niemand eine funktionierende elektronische Komponente hergestellt.

"Unser Draht leitet tatsächlich einen Strom. Dies ist die erste Demonstration der Selbstmontage einer funktionierenden elektronischen Komponente", sagte der Physiker Uri Sivan, der die Untersuchungen zusammen mit Erez Braun, ebenfalls Physiker, und dem Chemiker Yoav Eichen leitete.

Drähte sind die Grundlage einer jeden Schaltung, denn sie verbinden deren Bestandteile sowohl miteinander als auch mit der Außenwelt. Das Technion-Team konstruierte seinen Nanodraht-Prototyp zwischen zwei Goldelektroden, die durch eine winzige Lücke von 12 Mikrometern (etwa ein Zehntel der Breite eines menschlichen Haares) getrennt waren.

Die Wissenschaftler nutzten zum Bau eines selbsterstellenden Gerüstes kurze DNA-Sequenzen, sogenannte Oligonucleotide, und lange DNA-Abschnitte, um die Konstruktion des Silber-Nanodrahtes zu steuern. Zuerst brachten sie zwei Goldelektroden auf einer kleinen Glasplatte unter und beschichteten beide mit einem Oligonucleotid, das aus zwölf Bausteinen bestand, die bestimmten, mit welchen anderen DNA-Stücken sich das Oligonukleotid verbinden kann. Dadurch erhielten die kurzen DNA-Abschnitte eine einzigartige chemische Identität, über die sie bei weiteren Reaktionen gezielt angesprochen werden können.

DNA selbst verbindet sich nicht mit Gold. Die Forscher verwandten darum Hilfsmoleküle, die mit Hilfe einer Disulfidgruppe als eine Art "Leim" zwischen den Oligonucleotiden und den Elektroden wirkten.

Als Verbindungsglied zwischen den beiden Elektroden diente ein längeres Stück DNA, das mit seinen beiden Enden genau zu den Oligonukleotiden an den Goldkontakten paßte. Die Spezifität der Bindung gewährleistet dabei, daß die DNA-Brücke auch die richtigen Kontaktstellen findet.

DNA selbst ist ein Nichtleiter und kann nicht als Draht fungieren. Daher nutzten die Wissenschaftler einen chemischen Prozeß, um das Silber entlang des Gerüstes anzubringen. Zuerst tauchten sie die Glasplatte in eine Lösung aus positiven Silberionen. Diese lagerten sich an die negativ geladene DNA an und wurden dann zu elektrisch neutralen Silberatomen reduziert. Schließlich wurden die Silberkörner genutzt, um das Wachstum des metallischen Silbers zu katalysieren, so daß eine Leiterbahn für den elektrischen Strom geschaffen wurde–ein Draht.

Der Technion-Draht ist 100 Nanometer breit: eine fast dreifache Verbesserung gegenüber der bestehenden Technologie zur Herstellung von Computerchips. Die herkömmliche Methode mittels Photolithographie erreicht ihre Grenze in puncto Miniaturisierung bei ungefähr 250 Nanometern. Prinzipiell, so die Forscher, ließen sich Drähte herstellen, die 100 Mal so dünn sind.

Bei elektrischen Tests mit dem Nanodraht entdeckten die Wissenschaftler eine weitere potentiell nützliche Eigenschaft. Unter bestimmten Bedingungen entsteht eine Art Diode, wenn zum ersten Mal Strom durch den Draht fließt. Der Leiter "erinnert" sich daran, in welcher Richtung der Strom ihn durchfloß. Die Polarität der Diode, das heißt in welche Richtung sie einen Strom durchläßt, repräsentiert eine gespeicherte Information. Diese Tatsache läßt sich vielleicht nutzen, so spekulieren die Teammitglieder, um Computerspeicher zu produzieren.

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