În 1965, Gordon Moore, cofondatorul Intel a făcut o predicție despre calcul care s-a menținut fidel până în zilele noastre. Legea lui Moore, așa cum se știa, prevedea că numărul tranzistorilor pe care vom fi capabili să ne prindem pe un circuit - și, prin urmare, viteza efectivă de procesare a computerelor noastre - se va dubla aproximativ la fiecare doi ani. Destul de remarcabil, această regulă este exactă de aproape 50 de ani, însă majoritatea experților prezic acum că această creștere va încetini până la sfârșitul deceniului.
Într-o zi, însă, o nouă abordare radicală a creării semiconductorilor de siliciu ar putea permite această rată să continue - și ar putea chiar să o accelereze. Așa cum a detaliat într-un studiu publicat în Proceedings din această lună a Academiei Naționale de Științe, o echipă de cercetători de la Universitatea California din Santa Barbara și din alte părți au valorificat procesul de evoluție pentru a produce enzime care creează noi structuri de semiconductor.
„Este ca o selecție naturală, dar aici, este selecția artificială”, a spus Daniel Morse, profesor emerit la UCSB și coautor al studiului, într-un interviu. După ce am luat o enzimă care se găsește în bureții marini și am mutat-o în mai multe forme diverse, „am selectat-o pe un milion de ADN-uri mutante capabile să facă un semiconductor.”
Într-un studiu anterior, Morse și alți membri ai echipei de cercetare au descoperit silicateina - o enzimă naturală folosită de bureții marini pentru a-și construi scheletele de silice. Mineralul, așa cum se întâmplă, servește și ca bloc de construcție a cipurilor de computer cu semiconductor. „Ne-am pus apoi întrebarea - am putea inginerii genetic structura enzimei pentru a face posibilă producerea altor minerale și semiconductori care nu sunt produse în mod normal de organismele vii?”, A spus Morse.
Pentru a face acest lucru posibil, cercetătorii au izolat și au făcut multe copii din partea ADN-ului din burete care codifică silicateina, apoi au introdus în mod intenționat milioane de mutații diferite în ADN. Din întâmplare, unele dintre acestea ar conduce probabil la forme mutante de silicateină care ar produce semiconductori diferiți, mai degrabă decât silice - un proces care reflectă selecția naturală, deși pe o scară de timp mult mai scurtă și îndreptată de alegerea umană, mai degrabă decât de supraviețuirea celui mai potrivit. .
Enzima originală a fost luată din bureți marini, care o folosesc pentru a face scheletele de silice. (Foto prin Wikimedia Commons / Hannes Grobe) Pentru a descoperi care forme mutate ale ADN-ului de silicateină ar duce la semiconductorii doriți, ADN-ul trebuia să fie exprimat printr-o mașină moleculară a unei celule. „Problema a fost că, deși silica este relativ inofensivă pentru celulele vii, unele dintre semiconductoarele pe care vrem să le producem ar fi toxice”, a spus Morse. „Așa că nu am putut folosi celule vii - a trebuit să folosim un medicament sintetic pentru celule.” Ca înlocuitor artificial pentru celule, echipa a folosit bule minuscule de apă formate în jurul perlelor de plastic. O formă diferită de ADN de burete marin a fost atașată la fiecare dintre milioanele de perle, iar substanțele chimice necesare pentru ADN-ul pentru a fi exprimat ca o enzimă au fost incluse în apă.
În continuare, „celulele” din margele de plastic au fost încorporate în ulei, care au acționat ca o membrană celulară artificială. Perlele au fost apoi introduse într-o soluție care a inclus substanțele chimice (siliciu și titan) necesare pentru ca enzimele mutante să înceapă să construiască minerale semiconductoare pe exteriorul mărgelelor.
După ce a permis timp enzimelor să facă treburile de fabricare a mineralelor, mărgelele au fost trecute printr-un fascicul laser, lângă un senzor care a detectat automat când a trecut unul dintre semiconductorii doriți (dioxid de siliciu sau dioxid de titan). Ulterior, mărgelele de succes - cele care aveau acești semiconductori acumulați în exteriorul lor - au fost rupte, astfel încât ADN-ul mutant ar putea fi izolat și efectul său poate fi confirmat.
În prezent se produc diverse forme de dioxid de siliciu la producerea cipurilor de calculator, în timp ce dioxidul de titan este utilizat în fabricarea celulelor solare. Producția de substanțe ca acestea folosind enzime biologice și evoluție direcționată este o primă.
Deși acest lucru nu înseamnă cu siguranță că cercetătorii au avut celule care pompau cipuri de computer, ea indică o nouă metodă de creare a semiconductorilor. Semiconductorii produși de enzimele mutante din experiment, a spus Morse, „niciodată nu au fost produse în natură și niciodată nu au fost produse de o enzimă, dar în prezent sunt utilizate în industrie pentru tot felul de comunicații și procesare a informațiilor. „Câțiva ani în drum, forme noi și specializate de semiconductori produși prin această metodă ar putea juca chiar un rol în asigurarea prezicerii lui Gordon Moore.
