Полупроводниковый сэндвич

Жизнь – квантовый феномен, и квантовая физика долгие десятилетия оперировала вероятностями. Но создание лазера и сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) показало, что вероятности поддаются количественной оценке, то есть измерению.

В далеком уже теперь 2010 году исследователи IBM показали возможность хранения информации, используя направление ядерного спина, или магнитного момента (спин показывает вращение частицы или ядра вокруг своей оси, аналогией чего является ось вращения юлы или суточное Земли). На ядерном спине основана магнитно-резонансная томография (МРТ), показывающая изменение направлений спинов протонов водорода воды, которой много во всех тканях организма.

Проблема спиновой памяти связана, однако, с необходимостью продления сохранности магнитного состояния, что сопряжено с определенными трудностями.

За прошедшие годы открывателям графена, на который возлагали столько надежд, – Андре Гейму и Константину Новоселову – успели дать Нобелевскую премию. Но, к сожалению, получить из графена полупроводник не удалось. Проблему вроде бы решили специалисты университета Райса в Хьюстоне. Они сделали сэндвич из двух слоев графена, между которыми разместили «наногрозди»-кластеры из оксида магния (MgO). Сами по себе нанокластеры «ухватывают» свет лишь в весьма узком диапазоне, однако в сэндвиче он становится весьма широким.

Второе преимущество сэндвича – простота его «приготовления», поскольку частицы MgO удерживаются графеновыми слоями с помощью вандерваальсовых сил, то есть без образования прочных связей. В отличие от графена сэндвич обладает полупроводниковыми свойствами, к тому же регулируемыми. Статья наноинженеров опубликована в журнале Королевского химического общества Nanoscale.

Жаклин Бартон из Калифорнийского технологического института, что в пригороде Лос-Анджелеса Пасадена, полагает, что наноинженеры могли бы давно обратить внимание на ДНК-проводники, предоставленные им самой природой. Еще в 1990 году она, к своему удивлению, открыла явление электропроводимости, которой обладает молекула жизни, ДНК. В ходе дальнейших исследований выяснилось, что за электропередачу отвечает «сидящий» на ДНК белок с комплексом переходного железа и серы. Железо, как и всякий металл, легко отдает электроны, превращаясь в смесь оксидов, или ржавчину.

Переход электронов происходит и при образовании воды и сероводорода H2S. При этом водород является донором отрицательных электрических зарядов, а кислород и сера – акцепторами, формируя известные со школьных уроков химии донорно-акцепторные связи. 

И если в Хьюстоне между графеновыми «листами» поместили нанокластеры MgO, то природа уже давно использует кластеры 4Fe4S для генерации и регулирования трансфера электронов вдоль цепи ДНК. Генерирование электротока ферментом с кластером железа и серы способствует началу синтеза цепи ДНК, исправлению мутаций и починки ДНК. Остается надеяться, что в скором времени мы услышим о создании систем, в которых помимо двух указанных протеинов будет добавлен и светоулавливающий фоторецептор, в результате чего «гибрид» будет напрямую конвертировать световую энергию в электрическую.

Проблема с проводниками, однако, в том, что они проводят в обоих направлениях. В результате – потери электроэнергии. Сотрудники Токийского университета и их американские коллеги получили сверхпроводимость при 5,8 градуса Кельвина (около минус 267 градусов Цельсия). Это, впрочем, не такое уж достижение. Достижение тем не менее в том, что проводимость получили в нанотрубках, но не в привычных углеродных, а из вольфрама с серой (WS2).

Вторым достижением явилось то, что после приложения параллельно направленного магнитного поля нанотрубки стали проводить только в одном направлении. Исследователи назвали этот эффект хиральностью (от греч. XEIP – кисть руки, сравни: хирург). Хиральное проведение тока сулит много преимуществ в электротехнике и других технологиях.

Фоторецепция может показаться фантастикой. Однако нейробиологи давно уже освоили белковые фоторецепторы, гены которых «извлекли» из примитивных океанических водорослей. Фоточувствительные протеины последних улавливают фотоны солнечного света, открывая за счет их энергии ионные каналы. При этом нейроны со встроенными в их оболочки фоторецепторами, улавливающими лазерный свет, начинают генерировать электрические импульсы, распространяющиеся по отросткам к синапсам – точкам межнейрональных контактов. Благодаря этому удивительному симбиозу самых разных технологий родилась, как известно, оптогенетика, позволяющая манипулировать поведением животных. Так что ученым есть к чему стремиться.