Transito nano lỏng đầu tiên

Nhóm nghiên cứu, gồm Arun Majumdar và Peidong Yang, kỹ sư hóa học và cơ học, dự đoán rằng, chính vì các transitor điện tử đã trở thành bộ phận chính của các bộ vi xử lý và các mạch tích hợp, nên các transistor nano lỏng cũng sẽ trở thành bộ phận quan trọng của các bộ xử lý phân tử, cho phép chất hóa học cực nhỏ gắn trên một con chíp hoạt động được mà không cần đến những bộ phận chuyển động. Sẽ không còn cảnh các van bị tắc, các bơm phun và các máy trộn bị kẹt.

Arun Majumdar giải thích, một transitor giống như một cái van, nhưng sử dụng điện để mở hoặc đóng nó.Ởđây, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một điện áp để mở hoặc đóng một kênh ion. Hiện nay nhóm đã cho thấy có thể tạo ra khối kiến tạo này, họ có thể móc nó vào một con chip điện tử để điều khiển các dòng chất lỏng.

Một ứng dụng mà nhóm đang khám phá là chẩn đoán ung thư. Trên lý thuyết, một con chip phân tích hóa chất cỡ nano có thể phân tích một dung lượng nhỏ tới 10 tế bào ung thư và tìm ra các chất báo hiệu protein để mách bảo cho các bác sỹ những biện pháp chữa trị căn bệnh ung thư tốt nhất. Majumdar cho biết, đây là một phương pháp lý tưởng để mở các tế bào ra và nhận dạng các protein hay enzym bên trong. Tiểu sử của một enzym sẽ cho các bác sỹ biết rất nhiều thông tin về dạng ung thư, đặc biệt là ở giai đoạn đầu của căn bệnh khi mới chỉ có một vài tế bào rải rác.

Yang, người xây dựng nên một loại biến thể transitor bằng cách sử dụng các ống nano, cũng đánh giá cao các khả năng tính toán của linh kiện này.

Nhắc tới các transitor hiệu ứng trường bán dẫn ôxit kim loại (MOSFETs) được sử dụng ở hầu hết các con chip vi xử lý ngày nay, ông cho biết, có thể còn lâu mới có khả năng thương mại hóa, nhưng nhóm đang xem xét xem liệu có thể thực hiện các hoạt động bằng các transitor nano lỏng giống như có thể thực hiện với MOSFETs. Ông nói “Sử dụng các phân tử để xử lý thông tin sẽ cho ta một linh kiện xử lý thông tin khác biệt một cách cơ bản”.

Majumdar, Yang và các đồng nghiệp đã công bố thành công của họ, sản phẩm của 3 năm nỗ lực, trên tạp chí Nanoletters.

Majumdar cho biết, một lợi thế lớn của các transitor nano lỏng là chúng có thể được chế tạo bằng cách sử dụng công nghệ chế tạo giống như công nghệ sản xuất các mạch tích hợp ngày nay. Các kênh nano lỏng sẽ được tích hợp với linh kiện điện tử trên một con chíp silic đơn, với các linh kiện điện tử điều khiển hoạt động của các dòng nano lỏng. Các bộ phận có cỡ micro duy nhất của linh kiện là các kênh micro để bơm chất lỏng.

Nhóm nghiên cứu đã xây dựng một kênh cao 35 nano mét giữa hai đĩa silic diôxit, sau đó đổ đầy kênh này bằng nước và muối clorua kali. Họ cho thấy bằng cách cho một điện áp xuyên suốt kênh này bằng các thiết bị điện cực gắn với những chiếc đĩa này, họ có thể đóng dòng ion kali xuyên qua dòng nước. Việc làm này giống với việc điều khiển dòng electron xuyên qua một transitor bằng phương tiện là một điện áp cổng. Những cách điều khiển ion này không có khả năng thực hiện thông qua các kênh cực nhỏ bởi vì các ion ở chất lỏng nhanh chóng di chuyển về các đĩa và làm mất điện áp, về cơ bản là che chắn phía bên trong chất lỏng khỏi ảnh hưởng của điện trường. Tuy nhiên, các kênh có bề ngang nhỏ hơn 100 nano mét quá nhỏ đến nỗi việc bảo vệ này không diễn ra, vì vậy các ion ở khối chất lỏng có thể bị dòng điện áp đẩy hoặc kéo.

Nếu các ion là các protein, chúng sẽ bị đưa qua lại xuyên qua các kênh được kẻ thành vạch bằng các kháng thể huỳnh quang để dò ra hoặc cảm nhận ra. Nếu các ion là các mảnh của ADN thì chúng sẽ được phân loại và được sắp xếp theo trình tự. Trên thực tế, các tác giả cho biết, bất cứ một cảm ứng phân tử sinh học cực nhạy nào thấp xuống mức độ của một phân tử đơn cũng có thể được thực hiện bằng các transitor nano lỏng. Họ chứng minh rằng các mảnh ADN được tích điện, dán nhãn có thể được điều khiển trong transitor của chúng.

Yang, một chuyên gia trong việc tạo ra các tia lade cỡ nano, các ống, các dây và các thiết bị khác, sáng tạo ra một phiên bản transitor bằng cách sử dụng các ống nano có chu vi 20 nano mét, đã chứng minh rằng dạng xử lý phân tử giống như vậy có thể thực hiện được với các cấu trúc đổi mới này. Trong khi Majumdar dự đoán việc đặt các transitor điện tử và nano lỏng lên cùng một con chip sẽ tạo ra sự điều khiển máy tính bằng quá trình xử lý hóa chất, thì Yang dự đoán tính năng tính toán và xử lý hóa chất được thực hiện bằng những kênh nano lỏng giống như vậy. Ông cho biết, với các ống nano, có thể tiếp cận thêm nhiều kích thước nhỏ hơn so với việc chế tạo nano thông thường, nhưng về mặt tích hợp, thì sẽ khó khăn hơn. Trong tương lai, cả hai phương pháp xử lý đều có lợi ích căn bản và cuối cùng các linh kiện sẽ kết hợp cả hai.

Majumdar và Yang thừa nhận rằng cần tiến hành thêm nhiều công trình nghiên cứu nữa, bao gồm cả việc tìm hiểu về các hiệu ứng bề mặt bên trong các kênh nano lỏng. Hơn nữa, điện áp đòi hỏi để đóng dòng ion hiện nay là 75 von, quá cao đối với bất cứ một mạch tích hợp nào ngày nay. Nhưng nhóm nghiên cứu sắp sửa công bố những nghiên cứu sâu hơn về công nghệ này. Họ hy vọng sẽ khắc phục được khoảng thời gian chậm chễ giữa việc phát minh ra transistor vào năm 1947 và việc sáng tạo ra mạch tích hợp đầu tiên vào năm 1960. Majumdar cho biết, nhóm muốn là những người đầu tiên xây dựng nên những mạch tích hợp với chỉ 3 transitor có khả năng phân loại và tách, giống như một bộ xử lý 2 hay 3 bit có thể truyền đồng thời nhiều nguồn tin trong một kênh và định danh tính.