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Computer aus Erbgut? - HZDR-Forscher leiten Strom durch DNA-basierte Nanodrähte

09.11.2016

Winziger als ein AIDS-Virus – das ist der Umfang des derzeit kleinsten Transistors. Bis auf 14 Nanometer hat die Industrie die zentralen Elemente ihrer Computerchips in den letzten 60 Jahren schrumpfen lassen. Doch die konventionellen Methoden stoßen an physikalische Grenzen. Eine Alternative könnte Selbstorganisation der komplexen Bauteile aus Molekülen und Atomen sein. Forschern des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf und der Universität Paderborn ist ein wichtiger Schritt gelungen: Die Physiker konnten durch vergoldete Nanodrähte, die sich selbstständig aus DNA-Einzelsträngen zusammengesetzt haben, Strom leiten. Ihre Ergebnisse haben sie in der Fachzeitschrift Langmuir veröffentlicht.

Zunächst sieht es noch wie würmchenartige Striche vor schwarzem Hintergrund aus. Doch wie die Nahaufnahme mit dem Elektronenmikroskop zeigt, verbinden die nanometerkleinen Strukturen zwei elektrische Kontakte. Dieser Anblick erfreut Dr. Artur Erbe vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).


Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf haben durch DNA-basierte Nanodrähte Strom geleitet, indem sie sie mit Goldpartikeln besetzt haben.

„Unsere Messungen haben ergeben, dass durch diese winzigen Drähte Strom fließt.“ Nicht unbedingt eine Selbstverständlichkeit, wie der Physiker betont. Immerhin handelt es sich bei den Bauelementen um modifizierte DNA. Um ihre Nanodrähte herzustellen, haben die Forscher einen langen Einzelstrang des Erbguts mit kürzeren DNA-Schnipseln über die Basenpaare zu einem stabilen Doppelstrang verbunden. Auf diese Weise nehmen die Strukturen selbstständig die gewünschte Form an.

„Mit Hilfe dieses Verfahrens, das sich an die japanische Papierfalttechnik Origami anlehnt und dementsprechend als DNA-Origami bezeichnet wird, können wir winzige Muster kreieren“, erläutert der HZDR-Forscher. „Denkbar sind hier auch extrem kleine Schaltkreise, die sich aus Molekülen und Atomen zusammensetzen.“ Diese Strategie, die Wissenschaftler „Bottom Up“-Verfahren nennen, will die konventionelle Produktionsweise elektronischer Bauelemente auf den Kopf stellen.

„Bislang nutzt die Industrie die sogenannte ‚Top Down‘-Methode. Vom Grundmaterial werden so lange Teile weggeschnitten, bis man bei der gewünschten Struktur angekommen ist. Aufgrund der anhaltenden Miniaturisierung ist das aber bald nicht mehr möglich.“ Der neuartige Ansatz orientiert sich dagegen an der Natur: aus Molekülen entwickeln sich durch selbstorganisatorische Abläufe komplexe Strukturen.

Goldene Brücke zwischen Elektroden

Die Elemente, die dabei entstehen, wären wesentlich kleiner als die derzeit winzigsten Bauteile moderner Computerchips. Theoretisch könnten also kleinere Schaltkreise mit geringerem Aufwand hergestellt werden. Dabei gibt es jedoch ein Problem, wie Erbe zugibt: „Das Erbgut leitet Strom nicht besonders gut.“ Seine Kollegen und er haben deshalb über chemische Bindungen vergoldete Nanopartikel auf den DNA-Drähten platziert.

Mit einer „Top Down“-Methode – der Elektronenstrahl-Lithographie – kontaktierten sie die einzelnen Drähte anschließend elektronisch. „Diese Verbindung zwischen den wesentlich größeren Elektroden und einzelnen DNA-Strukturen hat bisher technische Schwierigkeiten bereitet. Durch unsere Kombination der beiden Verfahren konnten wir das lösen. Dadurch konnten wir erstmals den Ladungstransport durch einzelne Drähte genau bestimmen.“

Wie die Untersuchungen der Dresdner Forscher gezeigt haben, fließt tatsächlich Strom durch die vergoldeten Drähte – allerdings abhängig von der umgebenden Temperatur. „Bei abnehmenden Graden sinkt gleichzeitig der Ladungstransport“, beschreibt Erbe die Ergebnisse.

„Bei normaler Raumtemperatur funktionieren die Drähte aber gut, auch wenn die Elektronen teilweise von einem Goldpartikel zum nächsten springen müssen, da die Teilchen nicht komplett zusammenwachsen. Der Abstand ist allerdings so gering, dass er sich nicht einmal mit den derzeit besten Mikroskopen zeigen lässt.“ Um den Fluss zu verbessern, will das Team um Artur Erbe nun leitfähige Polymere zwischen die Goldpartikel einbauen. Auch der Metallisierungsprozess lässt sich nach Ansicht des Physikers noch optimieren.

Insgesamt ist er mit den Resultaten zufrieden: „Wir konnten demonstrieren, dass die vergoldeten DNA-Drähte Strom leiten. Zwar sind wir noch im Stadium der Grundlagenforschung, weswegen wir bislang auch Gold anstelle eines kostengünstigeren Metalls verwenden. Dennoch haben wir einen wichtigen Schritt gemacht, der elektronische Geräte auf DNA-Basis in Zukunft ermöglichen könnte.“

_Publikation:
B. Teschome, S. Facsko, T. Schönherr, J. Kerbusch, A. Keller, A. Erbe: Temperature-Dependent Charge Transport through Individually Contacted DNA Origami-Based Au Nanowires, in Langmuir, 2016, 32 (40), pp 10159–10165 (DOI: 10.1021/acs.langmuir.6b01961)

__Weitere Informationen:
Dr. Artur Erbe
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR
Tel. +49 351 260-2366
E-Mail: a.erbe@hzdr.de

__Medienkontakt:
Simon Schmitt | Wissenschaftsredakteur
Tel. +49 351 260-3400 | E-Mail: s.schmitt@hzdr.de
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf | Bautzner Landstr. 400 | 01328 Dresden | www.hzdr.de

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Das HZDR ist seit 2011 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Es hat fünf Standorte in Dresden, Grenoble, Freiberg, Leipzig und Schenefeld und beschäftigt rund 1.100 Mitarbeiter – davon etwa 500 Wissenschaftler inklusive 150 Doktoranden.

Weitere Informationen:

http://www.hzdr.de/presse/computer_dna

Simon Schmitt | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

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