(نانويرك): يتم استخدام الحمض النووي، وهو اللبنة الأساسية لتركيبتنا الحينية، على نطاق واسع من قبل باحثي تكنولوجيا النانو لإنشاء هياكل نانوية اصطناعية مصممة بشكل منطقي لتطبيقات متنوعة في علم الأحياء والكيمياء والفيزياء. يمكن أن يكون الحمض النووي مفيدًا بشكل خاص في تصميم الإلكترونيات والحوسبة القائمة على الحمض النووي لأنه يتجمع ذاتيًا ويتكاثر ذاتيًا ويمكن أن يتبنى حالات وتوافقات مختلفة.
لتحقيق الإمكانات الكاملة لتقنية النانو في الحمض النووي “DNA” في تطبيقات الإلكترونيات النانوية، يتطلب الأمر معالجة عدد من التحديات العلمية والهندسية: كيف تصنع وتتلاعب بالبنى النانوية للحمض النووي؟ كيف يتم استخدامها لتزيين السطح ودمج المواد غير المتجانسة في المقياس النانوي؟ وكيف تستخدم هذه العمليات لإنتاج أجهزة إلكترونية بتكلفة أقل وبأداء أفضل؟.
هذه الموضوعات هي محور مراجعة حديثة في دورية “Advanced Functional Materials” تحت عنوان (“التصنيع النانوي القائم على الحمض النووي للإلكترونيات النانوية”)*.
يبدأ المؤلفون بمقدمة لتصنيع الهياكل النانوية للحمض النووي، تليها مراجعة مبادئ استخدام الهياكل النانوية للحمض النووي في هندسة واجهات وظيفية مختلفة يتم استخدامها أيضًا في تصنيع الأجهزة الإلكترونية النانوية. تختتم المراجعة بمناقشة موجزة للتحديات وفرص البحث في التصنيع النانوي القائم على الحمض النووي.
كما هو موضح في الشكل أعلاه، يمكن بسهولة تجميع الهياكل النانوية للحمض النووي في أنماط مختلفة تشبه الهياكل الإلكترونية النانوية. على سبيل المثال، يحتوي ترانزستور ذات التأثير المجالي (FET)** على ثلاثة مكونات رئيسية: الأسلاك الموصلة للمصدر، والتسريب، وأقطاب البوابة؛ قناة أشباه الموصلات حيث يتم تعديل نقل الشحنة؛ وعازل البوابة يتيح التعديل في السَّعَة لقناة أشباه الموصلات. يمكن للبنى النانوية الفردية للحمض النووي أن تدمج المواد غير المتجانسة مع دقة مقياس النانومتر، والتي يمكن أن تكون بمثابة قالب للتجميع الذاتي لهياكل تشبه (FET)**.
كما هو موضح أعلاه، يمكن صنع شبكات بنية نانوية للحمض النووي بعشرات النانومتر بشكل دوري وأنماط خلية متكاملة ومعقدة. يمكن استخدام هذه الهياكل كقالب لنمذجة مصفوفات ال “memristors”*** التي يمكن تصنيعها من هياكل مستعرضة وبسيطة.
عند مراجعة كيفية استخدام الباحثين للهياكل النانوية للحمض النووي لبناء واجهات إلكترونية وظيفية، تناول المؤلفون بتفصيل كبير موضوعات تعاطي المنشطات بقوالب الحمض النووي، والبنى النانوية الموصلة لقالب الحمض النووي، والبنى النانوية شبه الموصلة والعزل الكهربائي، والتكامل الممكّن للحمض النووي من المواد النانوية، والطباعة الحجرية القائمة على الحمض النووي.
إن امتلاك القدرة على ضبط هيكلها ووظائفها يجعل الهياكل النانوية للحمض النووي ليست فقط نموذجًا جيدًا لتصنيع الإلكترونيات، ولكنها منصة فريدة للاستشعار، ولا سيما الكشف الجزيئي الفردي. هنا، تناول المؤلفون إمكانية استخدام الهياكل النانوية للحمض النووي لبناء أجهزة استشعار طبية حيوية ذات دقة جزيئية واحدة، وحساسية وخصوصية عالية، فضلاً عن انخفاض تكلفة الإنتاج بشكل كبير. إلى جانب التقنيات الأخرى مثل التعلم الآلي، يمكن للمنصات القائمة على الحمض النووي أن تعزز تطوير تسلسل الحمض النووي / البروتين وتخزين البيانات وتحليل التحليل النطاقي.
على الرغم من إحراز تقدم هائل في تطوير تقنية النانو للحمض النووي وتطبيقها على تصنيع الإلكترونيات والضوئيات وبنيات الاستشعار، لا تزال هناك تحديات كبيرة تواجه تحويل التكنولوجيا إلى منتجات تجارية. بعض مشكلات الاختناق الرئيسية التي حددها المؤلفون للمساعي البحثية المستقبلية هي:
— استقرار الهياكل النانوية للحمض النووي: غالبًا ما يصبح الاستقرار الكيميائي والفيزيائي للبنى النانوية للحمض النووي هو العامل المحدد في العمل البحثي. نظرًا لندرة الأبحاث التي تهدف إلى فهم استقرارها وتحسينها، هناك حاجة إلى مزيد من الجهد لجعل الهياكل النانوية للحمض النووي نموذجًا قويًا لتطبيقاتها المقصودة، خاصة في حالة الجفاف.
— وضع الهياكل النانوية للحمض النووي: تعد القدرة على محاذاة الهياكل النانوية للحمض النووي بدقة على مساحات كبيرة والقيام بذلك بمعدلات عيوب منخفضة أمرًا بالغ الأهمية للتكامل على نطاق واسع للأجهزة الإلكترونية والفوتونية. في حين أن التجميع الذاتي يمكن أن يشكل شبكات فائقة للحمض النووي، فإن دقة هذا التجميع بعيدة كل البعد عن المطلوب من قبل صناعة أشباه الموصلات. حاليًا، الحل الواعد لهذه المشكلة هو التجميع الموجه، حيث يتم توجيه ترسيب البنية النانوية للحمض النووي وتسهيله من خلال ميزات السطح النانوية التي تصنعها تقنيات الطباعة الحجرية.
— العيوب: على مستوى البنية النانوية للحمض النووي الفردي، يمكن أن تحدث أنواع متعددة من العيوب، مثل النقص في التركيب الجزيئي لقاعدة الحمض النووي، وعيوب في تقشير القاعدة، وعيوب في الوظيفة، وفقد سلاسل الحمض النووي أو تواجدها في غير أماكنها. بالنسبة للشرائح الفائقة للبنية النانوية للحمض النووي، بما في ذلك تلك الناتجة عن التجميع الموجه، فإن العيوب في الغالب هي عيوب (بنية مفقودة، سوء توجيه) داخل التجميع. يعد تقليل العيوب، سواء في البنية النانوية الفردية للحمض النووي أو في الشبكة الفائقة للبنى النانوية للحمض النووي، أمرًا بالغ الأهمية للعديد من التطبيقات، لا سيما في تصنيع الدوائر المتكاملة والأجهزة الضوئية.
بقلم مايكل بيرجر – مايكل مؤلف لثلاثة كتب للجمعية الملكية للكيمياء – الترجمة من قبل موقع نادي نانو
الهوامش:
*DNA-Based Nanofabrication for Nanoelectronics
** Field Effect Transistor
***Memristor: هو مكون كهربائي غير خطي ذو طرفين يتعلق بالشحنة الكهربائية ووصلة التدفق المغناطيسي
