I 1965 gjorde Intel-grunnlegger Gordon Moore en spådom om databehandling som har holdt seg gjeldende i dag. Moores lov, som det ble kjent, spådde at antallet transistorer vi ville være i stand til å stappe på en krets - og dermed den effektive prosesseringshastigheten til datamaskinene våre - vil doble omtrent hvert annet år. Bemerkelsesverdig nok har denne regelen vært nøyaktig i nesten 50 år, men de fleste eksperter spår nå at denne veksten vil avta innen utgangen av tiåret.
Imidlertid kan en radikal ny tilnærming til å lage silisium halvledere gjøre at denne frekvensen kan fortsette - og til og med kunne akselerere den. Som detaljert i en studie publisert i denne månedens Proceedings of the National Academy of Sciences, har et team av forskere fra University of California i Santa Barbara og andre steder utnyttet utviklingsprosessen for å produsere enzymer som skaper nye halvlederstrukturer.
"Det er som naturlig utvalg, men her er det kunstig utvalg, " sa Daniel Morse, professor emeritus ved UCSB og en medforfatter av studien, i et intervju. Etter å ha tatt et enzym som finnes i marine svamper og mutert det i mange forskjellige former, "har vi valgt det ut i en million mutant DNA som er i stand til å lage en halvleder."
I en tidligere studie hadde Morse og andre medlemmer av forskerteamet oppdaget silikatin - et naturlig enzym brukt av marine svamper for å konstruere sine silikagelett. Mineralet fungerer, som det skjer, også som byggesteinen til halvleder datamaskinbrikker. "Vi spurte da spørsmålet - kunne vi genetisk konstruere strukturen til enzymet for å gjøre det mulig å produsere andre mineraler og halvledere som ikke normalt er produsert av levende organismer?" Sa Morse.
For å gjøre dette mulig isolerte og gjorde forskerne mange kopier av den delen av svampens DNA som koder for silikatin, og introduserte deretter med vilje millioner forskjellige mutasjoner i DNAet. Ved en tilfeldighet vil noen av disse sannsynligvis føre til mutante former for silikatin som vil produsere forskjellige halvledere, snarere enn silika - en prosess som speiler naturlig seleksjon, om enn på en mye kortere tidsskala, og som er regissert av menneskelig valg i stedet for å overleve de vakreste .
Det originale enzymet ble hentet fra marine svamper, som bruker det til å lage silikagelett. (Foto via Wikimedia Commons / Hannes Grobe) For å finne ut hvilke muterte former av silikatin-DNA som ville føre til de ønskede halvledere, måtte DNA uttrykkes gjennom en celles molekylære maskineri. "Problemet var at selv om silika er relativt ufarlig for levende celler, ville noen av halvlederne som vi ønsker å produsere være giftige, " sa Morse. "Så vi kunne ikke bruke levende celler - vi måtte bruke et syntetisk surrogat for celler." Som en kunstig erstatning for celler, brukte teamet bittesmå bobler av vann dannet rundt plastperler. En annen form av marin svamp-DNA ble festet til hver av de millioner av perlene, og kjemikaliene som var nødvendige for at DNAet skulle uttrykkes som et enzym ble inkludert i vannet.
Deretter ble "perler" av plastperler innkapslet i olje, som fungerte som en kunstig cellemembran. Perlene ble deretter satt i en løsning som inkluderte kjemikaliene (silisium og titan) som trengs for at de mutante enzymer skulle begynne å bygge halvledermineraler på utsiden av perlene.
Etter å ha gitt tid for enzymer til å lage mineraler, ble perlene ført gjennom en laserstråle, ved siden av en sensor som automatisk oppdaget når en av de ønskede halvledere (silisiumdioksyd eller titandioksid) passerte. Etterpå ble de vellykkede perlene - de som hadde disse halvlederne akkumulert på utsiden - brutt åpne slik at det mutante DNAet kunne isoleres og effekten av det kunne bekreftes.
Forskjellige former for silisiumdioksid brukes for tiden i produksjonen av datamaskinflis, mens titandioksid brukes til å produsere solceller. Produksjon av stoffer som disse ved bruk av biologiske enzymer og rettet evolusjon er en første.
Selv om dette absolutt ikke betyr at forskerne hadde celler som pumpet ut databrikker, peker det på en ny metode for å lage halvledere. Halvlederne laget av de mutante enzymer i eksperimentet, sa Morse, "har aldri før blitt produsert i naturen, og har aldri før blitt produsert av et enzym, men de brukes for tiden i industrien til all slags kommunikasjon og informasjonsbehandling. Noen få år nede i veien kan nye og spesialiserte former for halvledere produsert ved bruk av denne metoden til og med spille en rolle i å sikre at Gordon Moores prediksjon forblir sann.
