מדענים מישראל ומארה"ב פיתחו את הדיודה הקטנה בעולם, המבוססת על חומר גנטי
ב-1956 חזה גורדון מור, ממייסדי חברת אינטל, כי מספר הטרנזיסטורים במעבדים יכפיל את עצמו כמעט כל שנתיים. הטרנזיסטורים והדיודות הם רכיבים אלקטרוניים בסיסיים במכשירי חשמל ואלקטרוניקה. מזעורם במשך השנים הוביל להגדלת מספרם בהתאם לתחזיתו של מור ואיפשר את פיתוחם של המכשירים הקטנים והחכמים שהפכו לחלק בלתי נפרד מחיינו, כגון הטלפונים החכמים והמחשבים הניידים. עם זאת, בשנים האחרונות המשך המזעור הופך יותר ויותר קשה, בשל מגבלות פיזיקליות.
אחת הדרכים להתמודד עם הבעיה היא שימוש במולקולות כימיות כרכיבים אלקטרונים. תחום האלקטרוניקה המולקולרית נחקר מאז שנות ה-70, במטרה למצוא מולקולות בודדות, קטנות מטבען, שחיבורן למעגלים חשמליים יוצר רכיב בעל התנהגות אלקטרונית מתאימה. צעד גדול לעבר המטרה הזאת נעשה במסגרת שיתוף פעולה בין הקבוצה של פרופ׳ בינג-שיאן שו (Xu) מאוניברסיטת ג׳ורג׳יה בארה״ב וד״ר יוני דובי (Dubi) מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת בן גוריון שבנגב.
"כיום אנחנו על קצה גבול היכולת הפיזיקלית", אומר שו. "אם שבבים מבוססי-סיליקון יהיו קטנים יותר, הביצועים שלהם יהיו חסרי יציבות ובלתי צפויים". כדי למצוא פתרון לבעיה פנו החוקרים ל-DNA. לדברי שו, התכונות הידועות של המולקולה מעבירת התורשה, והיכולת להנדס אותה בקלות הפכו אתה-DNA למועמד מוביל לשימוש כרכיב אלקטרוני מולקולרי. ואכן, במאמר שפורסם בכתב העת Nature Chemistry הם הראו לראשונה שניתן ליצור דיודה בגודל ננומטרי ממולקולות בודדות של DNA.
דיודה מורכבת מ-DNA. איור: אוניברסיטת ג'ורג'יה ואוניברסיטת בן גוריון
ניסוי ותיאוריה
דיודה היא רכיב חשמלי שמשמש מעין שסתום חד-כיווני. היא מאפשרת מעבר של זרם חשמלי בכיוון אחד ומונעת את המעבר בכיוון השני. בניסיונם לפתח דיודה מולקולרית ייצרו שו ועמיתיו מולקולה קצרה של DNA, הכוללת 11 זוגות בסיסים, וחיברו אותה למעגל חשמלי זעיר – ננו-מטרים אחדים. ה-DNA לבדו לא הצליח לתפקד כדיודה בגלל המבנה הסימטרי שלו, אבל כשהוסיפו לו מולקולה קטנה בשם קוראלין (Coralyne) גילו החוקרים שהזרם החשמלי שעבר דרך ה-DNA היה חזק פי 15 בכיוון אחד מאשר בכיוון השני, בדיוק התכונה הדרושה לדיודה.
"הממצא הזה מפתיע למדי, מכיוון שהמבנה המולקולרי נותר לכאורה סימטרי לאחר הוספקת הקוראלין", אומר שו. כאן נכנסו לתמונה דובי ותלמידת המחקר שלו אלינור זרח-הרוש. השניים פיתחו מודל תיאורטי להסביר את התופעה והראו שמולקולת הקוראלין יוצרת עיוות א-סימטרי בין גדילי ה-DNA.
הנדסה של חומרים חדשים שמסוגלים לשמש כרכיבים אלקטרוניים מתבססת כיום ברובה על סריקה ובדיקה ניסיונית של החומרים, כפי שעשו שו וצוותו. התהליך הזה אורך זמן רב ומתבסס על ניסוי וטעייה. שיתוף הפעולה המוצלח בין קבוצות המחקר מג'ורג'יה ומבאר שבע מעיד על הפוטנציאל הטמון בשילוב בין המחקר הניסויי לחישובים תיאורטיים. שילוב עם מודל תיאורטי שמסביר את תוצאות הניסויים ויכול לחזות תכונות חשמליות של מולקולות אחרות עשוי לאפשר בעתיד הנדסה מדויקת יותר של מולקולות אלקטרוניות. "התגלית יכולה לקדם את תהליך העיצוב והבנייה של רכיבים אלקטרוניים ננומטריים, שגודלם קטן לפחות פי אלף מהרכיבים הקיימים כיום", אמר שו.
הדיודה המולקולרית הראשונה אמנם אינה יכולה עדיין לשמש רכיב במחשב הנייד שלנו, אולם החוקרים עובדים על שיפורה. "אנו מנסים להשתמש במודל התיאורטי שיצרנו כדי לחשב אילו מולקולות DNA יכולות לשמש דיודות טובות יותר", אמר דובי לאתר מכון דוידסון. "באמצעות המודל, נוכל להנדס את המולקולות הרצויות לנו כרכיבים אלקטרוניים. יצירה של רכיבים אלקטרוניים זעירים הבנויים ממולקולות עשויה להוביל לכך שהטלפון החכם שנשתמש בו בעוד 50 שנה יהיה הרבה יותר חכם מהטלפונים של ימינו".
