KR20210031891A - 핵산 기반 전기적으로 판독 가능한 읽기 전용 메모리 - Google Patents

핵산 기반 전기적으로 판독 가능한 읽기 전용 메모리 Download PDF

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Abstract

기존 반도체 기술과 인터페이스할 수 있고 전기적으로 액세스하고 읽을 수 있는 나노구조 크로스-와이어 메모리 아키텍처가 제공된다. 아키텍처는 일반적으로 평행한 나노 와이어의 아래쪽 및 위쪽 세트를 십자형으로 배열하고, 특징적인 컨덕턴스를 갖는 메모리 소자를 연결한다. 각 나노 와이어의 말단은 전극에 부착된다. 와이어 사이의 틈새에 있는 연결의 컨덕턴스가 정보를 인코딩한다. 나노 와이어는 금속 이온, 탄소, 금속 나노 입자 및 인터칼레이터를 포함하는 도펀트로 강화된 고도의 전도성, 자기 조립(self-assembled), 핵산 기반 나노 와이어일 수 있다. 메모리 소자의 컨덕턴스는 순서, 길이, 형태, 도핑, 및 나노 와이어 사이의 경로 수에 의해 제어될 수 있다. 다이오드는 각 메모리 소자와 직렬로 연결될 수도 있다. 링커(linkers)는 또한 전하 상태가 메모리 소자의 저항을 변화시키는 산화 환원 또는 전기 활성 스위칭 분자 또는 나노 입자일 수 있다.

Description

핵산 기반 전기적으로 판독 가능한 읽기 전용 메모리
관련 출원에 대한 상호 참조
이 출원은 2018년 7월 11일에 출원된 미국 가출원 번호 62/696,743의 출원일에 대한 이익과 우선권을 주장하며, 전체가 여기에 참조로 포함된다.
연방 지원 연구 또는 개발에 관한 진술
적용 불가
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본 개시의 기술은 일반적으로 전자 데이터 저장 및 검색을 위한 장치 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 정보를 전기적으로 직접 액세스하고 기존의 반도체 기술과 인터페이스할 수 있는 핵산 기반의 읽기 전용 메모리 (예 : DNA-ROM) 장치에 관한 것이다.
종래의 컴퓨터 장치의 메모리는 역사적으로 데이터 처리 엔진과 물리적으로 분리되어왔다. 시간이 지남에 따라 프로세서의 처리 속도가 증가했고, 더 큰 메모리와 더 빠른 액세스에 대한 요구가 있었다. 수십년 동안 엔지니어의 목표는 저비용, 신뢰성 있는, 높은 밀도 및 비 휘발성의 범용 메모리 기술을 개발하는 것이었다. 이상적으로 이 기술은 빠르게 작성, 읽기 또는 지울 수 있으며, 정의된 모든 상태에서 무기한 지속된다. 기본적으로 이러한 특성에는 저에너지를 사용하여 상태를 설정하고 환경의 열 에너지가 해당 상태를 수정하지 않을 만큼 충분한 안정된 기술이 필요하다. 일반적으로 쓰기 에너지를 줄이면 통상적으로 이완(relaxation)에 대한 열 장벽이 감소하므로 이러한 두 가지 요구사항은 모순된다. 성능과 안정성의 균형을 맞추기 위해 수십년 동안 노력하여 다양한 메모리 기술을 개발하게 된 것은 바로 이 이분법이다.
이러한 기술 중 일부는 쓰기 쉽고 빠르지만 DRAM과 같이 매우 휘발성이 있으며, 다른 기술은 수년(FLASH, HDD) 또는 수십년(LTO) 동안 안정적일 수 있지만, 쓰기 속도가 느리고 읽기 속도가 느리며, 상태를 설정하려면 더 많은 에너지가 필요하다. 멤리스터(memristors) 및 상 변화물질(phase change materials: PCM)을 포함한 다양한 새로운 고체 기술이 차세대 메모리 기술을 목표로 하고 있지만, 여전히 보편성에 미치지 못할 가능성이 있다.
한편 생물학적 시스템은 핵산 기반 메모리를 사용하여 수십억년 전에 이 문제를 해결하였다. 평균 성인 인간의 경우, 500-700억개의 새로운 핵 세포가 생성된다. 각 핵에는 해당 사람의 전체 게놈 사본(~30억 염기쌍)이 포함되어 있으며, 이는 4개의 DNA 염기(구아닌(G), 아데닌(A), 티민(T), 시토신(C))가 있기 때문에 각 염기는 2비트를 인코딩한다. 따라서, 평균적으로 사람은 매일 ~40엑사바이트(40x1018)의 데이터를 쓴다. 더욱 인상적인 것은 이 업적은 ~100W(8.4 x106J/day)의 평균 에너지 소비로 실행하면서 달성되며, 이 에너지의 극히 일부만이 DNA 작성에 사용된다.
이에 비해, 가장 현대적인 저장 기술조차도 동일한 양의 정보를 기록하기 위해 3.2 x109J를 필요로 하며, 이는 3배 더 많은 에너지이다. 생물학적 시스템은 효소를 사용하여 염기 사이의 결합을 만들고 게놈 DNA 의 새로운 사본을 작성함으로써 이러한 수준의 효율성을 달성한다. 이 기능은 데이터 기록에 대한 에너지 장벽을 상당히 낮추고 강력하고, 안정적인 공유 결합으로 데이터를 기록하는 추가 이점이 있다. 적절한 보관 조건(뉴클레아제 없음(no nucleases present))에서 DNA 는 수백년 동안 안정적일 수 있으며, 경우에 따라 수백만년동안 생존하기도 한다.
따라서, 장기 데이터 저장을 위해 종래 반도체 기술과 인터페이스할 수 있는 핵산 기반의, 전기적으로 판독 가능한 메모리(ROM)인 범용 메모리 기술이 필요하다.
예를 들어, DNA 기반 나노구조에서 디지털 메모리 상태를 인코딩하기 위한 핵산 기반 메모리 장치 및 시스템이 설명된다. 이 기술은 분리된 상단 및 하단 나노 와이어가 크로스 와이어(X-wire) ROM 아키텍쳐로 설명되어 있으며, 선택된 전도도 형성 메모리 유닛과 함께 고도의 전도성, 자체 조립된 핵산 기반 나노 와이어와 접합부에서 상호 연결된다. 메모리 유닛(X-와이어 접합부)는 비트값을 인코딩하기 위해 제어가능한 컨덕턴스 값을 갖는다. 자체 조립 프로세스는 또한 비트 배치(placement)를 제어할 수 있도록 처리할 수 있다.
크로스 와이어 시스템은 2.5x 1011bits/cm2 (소자 당 1비트로 가정)의 면적 밀도를 갖는 2차원 메모리를 생성하기 위하여 4nm의 폭 와이어를 사용하는 메모리 소자로 설명된다. 이 밀도는 현재 기술 예측과 동등하다. 더욱이, 크기는 적어도 2(차원 당)의 또 다른 요소(factor)에 의해 감소될 수 있고, 더 많은 비트가 메모리 소자당 인코딩 될 수 있거나, 메모리가 3차원으로 조립될 수 있다. 이러한 접근 방식의 조합은 기존의 기술보다 4~5배 높은 메모리 밀도를 허용한다.
이 방식에서, 핵산의 염기는 정보를 직접 인코딩하는데 사용되지는 않으나, 그러나 그들은 와이어 사이의 DNA- 결합의 컨덕턴스가 정보를 암호화하는 핵산 종이접기(origami) 같은 기술("DNA 브릭"구조 포함)을 사용하여 교차 와이어 (X- 와이어) 나노 구조를 자기 조립하는 데 사용될 것입니다. 실제로 전자 메모리 시스템은 메모리를 제작하고 프로그래밍하기 위해 합성 생물학적 접근 방식을 활용한다. 또한 전기 판독을 위해 각각의 핵산 나노 와이어와 접촉하기 위해 기존의 반도체 및 리소그래피 공정이 필요하다.
DNA 나노 와이어 및 기타 핵산 나노 구조는 바람직하게는 두 개의 DNA 나노 와이어자가 조립 전략 중 하나에 의해 형성된다: 예를 들어 DNA 종이 접기 및 DNA 벽돌 또는 타일. DNA 종이 접기에서는 스테이플 가닥(stable strands)과 혼성화하여 스캐폴드 가닥을 정해진 모양으로 접는다. DNA 브릭 자체 조립(DNA 브릭 자체조립)에서는 각각 고유한 시퀀스로 구성된 수백개의 DNA 브릭이 큰 구조로 조립된다. 유사한 과정이 다른 핵산 어셈블리에서도 발생한다. 이러한 접근법이 선호되지만, 다른 알려진 나노 와이어 또는 나노 리본 제조 방법을 사용하여 크로스 와이어 아키텍처를 형성할 수 있다.
핵산 크로스-와이어 구조는 핵산 기반 나노 와이어와 메모리 소자의 두 가지 주요 구성 요소를 가지고 있다. 첫째, 핵산 나노 와이어는 배치가 제어된 길고 전도성 있는 와이어이어야 하며, 두 번째로 상호 연결 메모리 소자는 제어 된 저항 값을 가진 짧은 구성 요소이어야 한다. 이 소자는 다른 비트 값을 나타 내기 위해 다른 컨덕턴스 값으로 구성될 수 있어야 한다.
다른 비트 값을 메모리 소자로 인코딩하고, 메모리 소자가 전기 아키텍처에서 적절하게 판독될 수 있도록 보장하기 위해, 핵산 나노구조의 물리적 특성 (서열, 길이, 형태, 도핑 및 경로 수)이 제어된다.
핵산 (DNA, RNA 및 하이브리드 등) 나노 와이어 및 구조의 전도도는 접합 당 다중 비트 (예: 4-값 00, 01, 10, 11)의 코딩을 허용하도록 수정 및 제어 될 수 있다. 서열 차이 외에도 핵산 나노 와이어는 금속 이온 도핑, 금속 나노 입자로 강화 또는 인터칼레이터로 분자 도핑으로 변형될 수 있다. 일 실시 예에서, 도펀트는인가 된 전류에 의해 감소되거나 산화될 수 있다. 이러한 시스템의 충전 상태를 변경하면 컨덕턴스가 변경되어 디지털 값을 작성하는 메커니즘을 제공한다.
DNA가 핵산 나노 와이어 및 메모리 소자를 설명하는 데 사용되지만, 다른 핵산도 크로스 와이어 어레이의 전도성 소자를 형성하는 데 사용될 수 있다. DNA 외에도 RNA 및 DNA:RNA 하이브리드를 사용할 수 있다. 마찬가지로 트레 오스 핵산 (TNA), 펩타이드 핵산 (PNA) 글리콜 핵산 (GNA), 잠금 핵산 (LNA), 브리지 핵산 (BNA) 및 포스포로 디아미데이트 모르폴리노 올리고머(PMO)과 같은 인공 또는 변형 된 핵산도 사용할 수 있다. 메모리 저장 구성 요소도 사용할 수 있으므로 다른 분자를 나노 와이어 간의 연결로 사용할 수 있다.
핵산 나노 와이어 및 메모리 구조의 전도도는 전도성 금속 나노 입자 및 탄소 나노 튜브, 탄소 나노로드, 카본 블랙, 그래 핀 시트, 그래 핀 나노 리본, 탄소 나노 섬유 등과 같은 전도성 탄소와 같은 도펀트로 변형 될 수도 있다.
핵산 기반 나노 구조의 전도도는 안트라퀴논, 페로센, 노르보르나디엔, 메틸렌블루에티듐, 코랄린 및 크립토레핀과 같은 인터칼레이터로 분자 도핑에 의해 변형될 수도 있다. 핵산 삽입(intercalation)은 하나의 삽입 모이어티(moiety)(단일 인터칼레이터), 두 개의 삽입 모이어티(비스-인터컬 레이터) 또는 다중 삽입 모이어티를 핵산 구조에 삽입하는 것을 포함한다. 삽입(intercalation)은 핵산 가닥의 전체 전도 특성에 영향을 미치는 복합체의 전도/저항을 변경한다. 나노 와이어의 한 가지 중요한 문제는 "인접한 소자 및 와이어를 통해 판독 라인으로 다시 흐르는 전류가 의도된 소자를 통한 전류보다 더 높기 때문에 고-저항 소자가 잘못 판독되는 스니크 경로 문제(sneak path problem)"이다. 그러나 프로그래밍된 자체 조립 프로세스를 사용하여 핵산 기반 시스템에서 이 문제를 해결할 수 있다. 이 문제를 방지하기 위해 다이오드를 각 메모리 소자와 직렬로 연결하면 전류가 판독 라인으로 다시 "스니킹(sneaking)"되는 것을 방지 할 수 있다. 여기서 핵산 기술의 장점은 예를 들어 DNA 기반 메모리 소자와 직렬로 연결된 DNA 기반 다이오드를 포함하도록 자체 조립 프로세스를 프로그래밍 할 수 있다는 것이다.
본 기술의 이점은 더 높은 메모리 밀도, 긴 수명 저장, 비 휘발성, 종래의 전자 장치와의 통합 및 저 비용 제조를 포함할 수 있다.
아카이빙(archiving), 데이터 저장 및 전송을 포함하는 DNA 기반 ROM (Read-Only-Memories)과 최신 프로세서의 아키텍처에 대한 다양한 중요한 애플리케이션이 있을 것이다. 예를 들어, 메모리는 프로세서에 대해 LUT (look-up-tables) 또는 하드코딩 된 실행 프로그램을 제공하기 위해 프로세서 내부 또는 인접에 포함될 수 있다.
제조시에 (마스크에 의해) 프로그래밍 되는 하드웨어 인코딩 메모리인 마스크 ROM은 부트스트랩(boothstrapping) 및 기타 중요한 기능을 위해 마이크로 프로세서에서 사용된다. 마스크 ROM은 빠르고 저렴할 수 있지만 프로그램을 변경하려면 새로운 마스크 디자인부터 시작해야 하므로 사용이 제한된다. 그러나 초 고밀도이고 빠르고 저렴하며 새로운 마스크 설계 없이 제조 공정 내에서 수정 사항을 구현할 수 있는 하드웨어 인코딩 ROM은 프로세서 설계 방식을 변경할 수 있다. DNA-ROM은 악의적인 행위자가 변경할 수 없는 "미션 크리티컬(mission-critical)"코드를 저장하는 데 사용될 수 있으며 중요한 프로그램의 부팅 및 런타임 속도를 높일 수 있다.
더욱이, 핵산-ROM은 고밀도이기 때문에, 이를 코어 내부 또는 근처에서 구현하면 나눗셈을 수행하거나 대수를 계산하는 것과 같은 가장 값비싼 계산 문제를 단순화할 수 있다. 이러한 값을 계산하는 대신 DNA-ROM 기반 LUT에서 간단히 가져올 수 있다. 이 아키텍처는 프로세서 내 코어 수를 늘리는 현재 추세를 활용하여 구현된 특정 메모리를 기반으로 코어를 더욱 전문화 할 수 있다. 이 아키텍처는 프로세서 내에서 액세스 할 수 있는 핵산-ROM에 인코딩된 메모리에 따라 특정 기능을 가진 수천 개의 코어를 생성 할 수 있다.
이러한 방식에서, 현장에서 기억을 다시 프로그래밍하는 것이 불가능할 수도 있으나, 메모리 오류 또는 프로그램 오류로 인해 설계 수정이 필요한 경우 새로운 마스크 디자인이 필요하지 않고 대신 제조 과정에서 향후 버전에서 구현되는 핵산-ROM을 단순히 레코딩한다.
본 명세서에 기술된 기술의 추가 측면은 명세서의 다음 부분에서 설명될 것이며, 여기서 상세한 설명은 기술에 제한을 두지 않고 기술의 바람직한 실시 예를 완전히 개시하기 위한 것이다.
본 명세서에 설명된 기술은 단지 예시를 목적으로 하는 다음 도면을 참조하여 더욱 완전하게 이해 될 것이다.
도 1a는 기술의 실시예에 따른 메모리 판독을 위한 접촉 전극을 갖는 핵산 크로스-와이어 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 1b는 상부 및 하부에 교차된(crossed) 나노 와이어를 갖는 메모리 소자 및 2개의 교차된(crossed) 나노 와이어를 연결하는 비트를 인코딩하는 상호 연결 메모리 소자의 단순화된 개략적인 측면도이다.
도 2는 핵산 나노 와이어와 연결된 2 비트 메모리 소자를 보여주는 크로스-와이어 구조의 개략도 및 00-메모리 소자 및 DNA-나노 와이어 구조에서 가능한 순열(permutation) 수의 예이다.
도 3a는 네이티브 15-bp DNA-RAN 스택의 컨덕턴스 그래프이다.
도 3b는 인터칼레이터가 있는 도 4a와 동일한 시퀀스의 컨덕턴스 그래프이다. 관찰된 HOMO-LUMO 갭은 인터컬레이터가 스택에 삽입될 때 절반으로 감소하고 DNA 하이브리드의 컨덕턴스는 인터칼레이터가 있을 때 3배 이상 변화한다.
도 4는 기술의 일 실시예에 따라 Au 나노 입자(또는 나노로드)로 기능화 될 수 있는 다중 병렬 경로를 갖는 메모리 소자에서 DNA-다이오드와 결합된 디지털 값을 인코딩 할 수있는 서열을 갖는 핵산 메모리 소자의 사시도이다.
보다 구체적으로 도면을 참조하면, 예시 목적을 위해, 핵산 기반 크로스-와이어 메모리 구조를 위한 장치, 시스템 및 방법의 실시예가 일반적으로 도시된다. 기술의 여러 실시예가 일반적으로 도 1 내지 도 4에 장치, 방법 및 시스템의 특성과 기능을 설명하기 위해 묘사되어 있다. 방법은 특정 단계 및 순서에 따라 달라질 수 있으며 시스템 및 장치는 본 명세서에 개시된 기본 개념에서 벗어나지 않고 구조적 세부 사항에 대해 다양할 수 있다. 이 방법 단계는 이러한 단계가 발생할 수 있는 순서의 예시일 뿐이다. 단계는 요구된 기술의 목표를 여전히 수행하도록 원하는 순서대로 발생할 수 있다.
DNA로부터 고밀도 크로스 와이어 시스템을 효과적으로 구현하기 위해 두 가지 주요 기능이 있다. a) 컨덕턴스로부터 특정 디지털 값을 인코딩하고 판독하여 메모리 소자를 생성할 수 있어야 한다. b) 전도성이 높고 폭이 작은 상호 연결로 이러한 소자를 상호 연결할 수 있어야 한다. 이러한 상호 연결은 장거리에 걸쳐 큰 컨덕턴스를 표시하는 "와이어"인 것으로, i) 메모리 소자의 컨덕턴스는 시스템의 컨덕턴스를 지배하고, ii) 계산을 개선하기 위해 전체 CPU 아키텍처 근처 또는 내부에서 구현할 수 있는 RAM(Random Access Memories)으로 이러한 시스템을 도입할 수 있도록 판독 속도가 충분히 빠를 수 있습니다. 이러한 기능은 제어 가능한 컨덕턴스 특성을 가진 비트 소자가 있는 간단한 메모리 소자 설계로 충족된다.
도 1a 및 도 1b로 넘어가면, 전기적으로 판독 가능한 4 x 4 소자, 32 비트, 핵산 X- 와이어 ROM(읽기 전용 메모리) 플랫폼(10)의 일 실시 예가 개략적으로 도시되고 기술을 설명하기 위해 사용된다. 플랫폼(10)은 로그와 같은 시간 소모적인 계산을 위한 장기 저장 또는 룩업 테이블과 같은 다양한 시스템에서 유용할 수 있다. 간단하게 하기 위해, 도 1a의 플랫폼은 서로 직각으로 교차하는 4개의 하부 와이어(12) 및 4 개의 상부 와이어(16)를 도시한다. 그러나, 상부 및 하부 나노 와이어 또는 구조는 상이한 모양, 불균일 한 크기 일 수 있고 서로 비스듬한 각도로 배향될 수 있다. 이 예시에서, 각각의 하부 나노 와이어(12)는 전극 (14)에 전기적으로 결합된다. 상부 중첩 나노 와이어(16) 각각은 또한 기판(20)에 의해 지지되는 자체 전극(18)에 장착된다. 전극 (14, 20)은 메모리 판독을 위한 적절한 회로(도시되지 않음)와 접촉한다. 핵산 기반 메모리 기술은 기존의 반도체 기술과 인터페이스 되며 정보에 전기적으로 직접 액세스 할 수 있다. 메모리 소자(22)는 중첩되는 나노 와이어 또는 나노 구조물 사이의 접합부에 형성된다.
도 1b에 도시 된 메모리 소자 (22)의 측면도에서, 하부 나노 와이어(12) 및 겹치는 상부 나노 와이어(16)는 비트를 인코딩하는 하나 이상의 메모리 DNA 또는 RNA 기반 나노 구조(24)에 의해 접합부에서 함께 상호 연결되어 있음을 알 수 있다. 메모리 나노 구조(24)의 연결 수, 길이 및 순서는 컨덕턴스 및 메모리 값을 지시한다. 서열, 길이, 형태, 도핑 및 경로의 수를 선택함으로써 핵산 나노 구조(24)의 물리적 특성을 제어함으로써 상이한 비트-값이 메모리 소자(22)로 인코딩될 수 있다.
도 2는 핵산 기반 나노 와이어와 상호 연결된 2비트 인코딩 메모리 소자 세트를 가지는 도 1a 및 도 1b의 구조의 이상화된 버전을 도시한다. 여기에서 4 자릿수의 컨덕턴스를 포함하는 2 비트(4 레벨) 아키텍처를 인코딩하는 데 사용할 수 있는 특정 시퀀스가 식별된다. 이것은 DNA와 같은 핵산이 운반체가 한 번에 여러 염기에 걸쳐 종종 비국재화되는(delocalized) 전도체이기 때문에 가능하다. 이러한 비트 값을 설정하려면 약 1 x 10- 6G0에서 약 0.01 G0 사이의 컨덕턴스 값을 변조하는 것이 좋다. 예를 들어 DNA 메모리 나노구조와 나노 와이어의 전자 구조를 제어함으로써 각각 1차로 분리된 전도도 값을 갖는 유사한 길이 (~ 20bp ~ 200bp)의 4 개의 DNA 듀플렉스를 구할 수 있다.
도 2의 방식에서, 결합된 시스템에서 다중-레벨 로직 상태(즉, 00, 01, 10, 및 11과 관련된 컨덕턴스값)을 읽을 수 있다. 이를 달성하기 위해, 일 실시예에서, 표준 리소그래피 및 기판(20)을 사용하여 X-와이어가 증착된 후에 접촉할 수 있다. 또 다른 구체예에서, 티올화된(thiolated) 단일-가닥 링커(linkers)가 각각의 4 전극에 사용된다.
각각의 전극은 조립 동안 전극상의 전위를 제어함으로써 상이한 순서로 프로그래밍 될 수 있다. 바람직한 실시 예에서, X-와이어 접합의 말단에 있는 각각의 DNA-나노 와이어는 단일 전극에 상보적인 끈적한 말단을 가질 것이다. 그런 다음 나노 와이어는 기능화된 전극의 존재 하에 표면에 자체 조립된다. 표면에 많은 수의 전극 세트를 사용하면 성공적인 측정이 보장되고 구조의 가변성에 대한 통계적 분석이 가능하다.
명백히, 메모리 시스템이 기능하기 위해, 비트-값의 위치는 자기 조립 프로세스 동안 무작위로 결정될 수 없다. 이러한 시스템은 주소 지정이 가능해야 한다. 다행히도 DNA는 구조 프로그래밍을 위한 이상적인 도구이며, 메모리 소자를 DNA-나노 와이어에 연결하기 위해 짧은 10bp의 끈적한 끝을 사용하더라도 410 개의 고유한 조합 (주소)을 허용한다. 실제로 인터페이스에서 병렬 고정 말단과 함께 다양한 길이를 사용할 수 있으므로 특정 비트 값의 위치를 제어하기 위한 매우 큰 설계 공간이 열린다.
다시 도 2를 참조하면, 컨덕턴스의 크기가 4배인 핵산 나노 와이어와 연결된 2비트 메모리 소자의 특성을 제어하면 인코딩 체계가 제공된다. 원칙적으로, 도 2의 예시에 도시된 소자 j 및 소자 k는 각각 00 비트를 인코딩하기 때문에 동일하다. 그러나 이러한 각 비트에는 고유한 가장 가까운 이웃(nearest-neighbors)이 있으며 각 주소가 최종 구조에서 적절한 비트 값을 인코딩하도록 보장하기 위해, 이 두 소자는 동일한 디지털 값을 인코딩하더라도 실제로 물리적으로 달라야 한다. 도 2는 00 비트에 대해 가능한 모든 값을 보여 주며, 결과적으로 동일한 디지털 값을 인코딩하는 256 개의 서로 다른 메모리 소자가 생성된다. 또한 4 개의 가능한 디지털 값 (00, 01, 10 및 11)이 있기 때문에 2 비트 논리 시스템에 대해 가능한 모든 연결을 인코딩하려면 1024 개의 고유한 메모리 소자가 필요하다.
또한, 메모리 소자를 상호 연결하는 각각의 나노 와이어는 또한 구체적 이어야 하며, 그 결과 다른 16 개의 소자가 생성 되어야 한다. 따라서 완전한 디자인은 구현을 위해 적어도 1040개의 고유한 핵산 구조를 필요로 한다. 일 실시 예에서, 각 소자는 원하는 위치, 즉 고유 주소에서만 부착되도록 성장 프로세스를 제한하기 위해 완전히 고유해야 할 수 있다. 이를 위해서는 원치 않는 상호 작용을 최소화하는 최적의 시퀀스 설계 알고리즘이 필요하다. 따라서 주어진 ROM 패턴에 대해 시스템은 각 메모리 소자를 비트 값뿐만 아니라 주소도 함께 인코딩하여 올바른 구조로 자체 조립할 수 있도록 한다.
교차된(crossed) 나노 구조 플랫폼은 바람직하게는 메모리 소자가 전기 구조에서 적절하게 판독될 수 있도록 SiO2 또는 Si3N4 절연 기판상의 임의의 크기의 오목한 전극 어레이 상에 형성된다. 이 실시 예에서, 나노 구조 물질은 더 나은 전기적 접촉을 제공하고 종종 물질을 파열 시키거나 수송을 억제하는 전극/나노 구조 계면에서 전단력(shearing forces)을 감소시키는 평면 표면에 증착 된다.
전기 보조 방법(예: 유전영동(dielectrophoresis)) 또는 화학적 방향 (표면상의 티올, 히드록실, 카르복실산 등을 사용하여 표면 상호 작용을 수정 함)을 사용하여 메모리 소자 또는 어레이의 조립을 지시하는 것도 가능하다. 예를 들어, 이러한 표면 수정은 정밀 배치를 위해 석판 인쇄 방식으로 제어 할 수 있다.
이러한 구조를 사용하여, 핵산 나노 와이어에 대한 예비 전기 측정은 pA 범위에서 ~10μm 전류의 거리에서도 얻을 수 있음을 나타낸다. 더욱이, 이러한 장치는 전도도가 향상되거나 인터칼레이터 또는 금속을 사용하여 장치를 도핑하는 데 사용되는 경우 컨덕턴스가 증가한다. 이것은 이러한 구조가 실온에서 고유한 장거리 수송 특성을 가지고 있음을 나타낸다.
핵산 나노 구조를 구성하는 데 선호되는 접근 방식은 긴 가닥의 접힘 (종종 "DNA 종이 접기(DNA origami)"라고 함)과 DNA 타일이라고하는 모듈 단위 조립의 두 가지 범주로 나뉜다. 핵산 종이 접기는 임의의 2차원 나노스케일 물체를 만들 수 있다. 긴 스캐폴드 가닥(일반적으로 M13 바이러스 게놈 DNA, ~7k 염기)는 약 100~200개의 합성 "스테이플(staple)"가닥과 상호 작용하여 규정 된 모양으로 접힌다. 각 스테이플 가닥은 고유한 시퀀스로 프로그래밍되며 최종 형태에서 특정 위치를 차지한다. 맞춤형 형태의 나노 구조를 생성하기 위해서는 스캐폴드 가닥으로 모양을 래스터(rasters)로 채운 다음 그에 따라 보완적인 스테이플 시퀀스를 생성하면 된다. 종이 접기 방법은 나중에 3D 나노 구조를 만들기 위해 확장되었다. DNA 종이 접기는 임의의 모양의 크고 (7 천 염기쌍) 주소 지정이 가능한 (각 스테이플은 고유한) 나노 구조를 구축 할 수 있는 최초의 DNA 자체 조립 방식이다.
또 다른 예는 큰 DNA-종이 접기 단량체를 보다 큰 다면체 구조로 효율적으로 조립할 수 있는 모듈식 전략이다. DNA-벽돌(브릭(brick)) 및 DNA-종이 접기 모듈식 조립 방식은 마이크로 스케일 2차원 DNA 결정 구조 및 DNA 나노 와이어를 구성하기 위해 확장될 수 있다. 1D DNA 나노 와이어 디자인은 분리된 DNA 벽돌 구조 사이에 "연결 벽돌(connecting bricks)"을 구현하여 분리 된 3 차원 DNA 벽돌 구조를 기반으로 한다. 핵산 나노 와이어는 일반적으로 길이가 수 마이크로 미터까지 성장할 수 있다.
이에 비해, DNA 타일 자체 조립은 일반적으로 2 단계 계층적 과정이다. 첫 번째 단계는 일반적으로 몇 개에서 수십 개의 짧은 합성 DNA 가닥으로 구성된 DNA 타일의 형성을 포함한다. 개별 DNA 타일은 보완적인 단일 가닥 돌출부 ("끈적한 말단(sticky ends)") 사이의 혼성화를 통해 다른 타일과 연결된다. "단일 가닥 타일 (SST)"또는 "DNA 벽돌"이라고 하는 특별한 유형의 DNA 타일은 대형 2D 구조와 3D 구조를 조립하는 데 성공적으로 사용되었다.
짧은 가닥 (DNA 벽돌에서와 같이)만을 사용하는 복잡한 자기 조립의 성공과 긴 스캐폴드(DNA 종이 접기에서와 같이)를 포함하는 것들은 함께 다양한 길이의 가닥으로 모티프 가능성의 전체 스펙트럼을 제안한다: 더 긴 스트랜드는 더 나은 구조적 지원을 제공할 수 있고 더 짧은 스트랜드는 더 미세한 모듈성을 가지며 제어된 와이어 및 메모리 비트 전도도와 함께 사용할 수 있는 기능이 있다.
DNA로부터 전도성 나노 와이어를 생성하는 두 가지 일반적인 방법이 있다. 첫 번째는 핵산을 주형으로 사용하여 무기 또는 전도성 고분자 기반 나노 와이어를 성장시키는 것이다. 이러한 기술은 일반적으로 와이어 성장을 위한 촉매 또는 적절하게 기능화된 나노 입자에 부착할 수 있는 끈적한 말단에 결합하는 것을 포함한다. 이러한 접근법은 기본 핵산 나노 구조에 의해 정의된 모양으로 전도 채널을 만드는 데 성공했다. 그러나 와이어의 입자가 잘 결합되지 않으면 전체 전도도가 낮아질 수 있다. 따라서 높은 전도성을 얻기 위해서는 성장 과정을 주의 깊게 제어해야 한다.
두 번째 접근법은 재료의 고유 전도도를 개선하기 위해 인터칼레이터 또는 금속 이온을 사용하여 핵산을 도핑하는 것이다. 두 번째 접근법은 핵산 나노 구조의 크기를 유지하는 반면, 이를 통해 무기 와이어 주변에 조립할 필요 없이 크로스 와이어 아키텍처를 보다 간단하게 구현할 수 있다. 더 높은 컨덕턴스 와이어를 보장하기 위해 두 가지 방법 중 하나를 구현할 수 있다.
전도에 대한 최적화 및 제어의 또 다른 측면은 다음 세 가지 접근법 중 하나를 사용하여 핵산 구조의 전도도를 향상시키는 것입니다. 1) 금속 이온 도핑; 2) 금속 나노 입자로 도핑; 및 3) 인터칼레이터로 도핑.
핵산 도핑에 대한 한 가지 접근법은 금속 이온을 결합하기 위해 변형된 염기를 사용하거나 안정성을 향상시키기 위해 금속 이온을 삽입하기 위해 불일치를 사용함으로써 핵산 스택 내의 특정 위치에 금속 이온을 삽입하는 데 초점을 맞추고 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 2 개의 상보성 염기(각 가닥에 1 개의 염기) 대신 살리실산 알데히드-살리실산 알데히드 쌍(salicylic aldehyde-salicylic aldehyde pair)을 사용하면 DNA 듀플렉스가 Cu2 +, Fe3 + 및 Ag+를 포함한 다양한 금속 이온에 결합할 수 있다. 또는 T-T 불일치는 Hg2 +에 결합하는 것으로 알려져 있다. 이러한 대안적인 페어링 방식은 위에서 설명한 DNA 벽돌의 디자인에 이러한 염기 (및 염기 대체물)를 포함하여 DNA 나노 구조의 특정 위치에서 사용할 수 있다. 컨덕턴스는 이온이 3 개, 5 개, 7 개 또는 9 개 염기 쌍마다 간격을 두고 있거나 준 랜덤(quasi-randomly) 간격으로 배치될 때 변조될 수 있다.
핵산의 전도도에 대한 또 다른 향상은 금속 나노 입자와 DNA, RNA 또는 하이브리드 나노 와이어의 결합에 있을 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 구형 나노 입자 및 나노로드를 포함하는 금 나노 입자는 전도도를 최적화하기 위해 DNA 나노 구조에 통합될 수 있다. 조밀 한 1 차원 배열로 DNA 나노 와이어에 제어 된 수의 금 나노 입자를 부착하는 것이 가능하다. 금 나노로드의 정렬은 DNA 나노 와이어에 노출된 자유 DNA "끈적한 말단"과 금 나노 입자에 결합된 상보적인 DNA 가닥 사이의 쉽고 강력한 혼성화를 통해 달성할 수 있다. 금 나노 입자의 정렬은 반응 조건(예: 농도, 반응 시간) 및 디자인(예: DNA 길이 및 시퀀스)을 조정하여 최적화 할 수 있다.
유사하게, 핵산 나노 와이어는 탄소 나노튜브, 탄소 나노로드, 카본 블랙, 그래핀 시트, 그래핀 나노리본, 및 탄소 나노 섬유와 같은 전도성 탄소 도펀트를 사용하여 변형될 수 있다. 전도성 탄소 도펀트는 단독으로 또는 금속 나노 입자와 같은 다른 도펀트와 함께 사용할 수 있다.
대안으로, DNA 인터칼레이터와 그루브-결합(groove-binding) 분자를 사용하여 핵산 나노구조를 도핑하여 DNA 고유의 수송 특성을 개선함으로써 전도도를 강화하고 제어할 수 있다. 인터컬레이터는 DNA ð-stack에 삽입되는 분자이다.
인터칼레이터가 없는 DNA 서열의 컨덕턴스의 예시가 도 3a에 도시되어 있으며, 인터칼레이터가 있는 동일한 시퀀스가 도 3b에 도시되어 있다. 이는 안트라퀴논 기반 인터칼레이터를 DNA에 추가하면 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)와 LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 간의 에너지 갭이 약 3.7eV에서 약 1.5eV로 변경된다는 것을 보여준다. 이러한 에너지 격차의 현저한 감소 외에도 에너지 수준은 핵산의 전체 길이에 걸쳐 더 국지화되지 않는다. 이러한 전자 구조의 변화는 도 3a 및 도 3b와 같이 인터칼레이터가 시퀀스 위에 존재하는 15-basepair(bp) 시퀀스에 대해 3배 더 높은 실험적으로 결정된 컨덕턴스 값을 초래한다.
이러한 수송 특성의 실질적인 변화와 이들 분자를 DNA-나노 구조에 도입하는 상대적 용이성(relative ease)를 감안할 때, 인터칼레이터의 사용은 DNA-나노 와이어의 수송 특성을 제어하거나 최적화하는 데 적합하다. 컨덕턴스를 제어하기 위해 여러 다른 인터컬레이터를 선택할 수 있다. 안트라퀴논 및 메틸렌 블루와 같이 산화 환원 전위가 낮은 분자는 Au 전극의 페르미 전위 근처에 에너지 수준을 추가하기 때문에 선호된다.
추가적으로, 인터칼레이터의 선택은 LUMO 수준을 낮추는 것을 목표로 하는 분자 부류(예: 안트라 퀴논) 및 HOMO 수준을 높이기 위한 분자 부류(예: 메틸렌 블루)를 포함 할 수 있다. 두 클래스의 초기 검사 후 각 클래스의 최고 성능을 함께 사용하여 시스템의 HOMO-LUMO 에너지 갭을 더욱 줄일 수 있다. 전반적인 목표는 DNA 나노 와이어에서 장거리 준 탄도 수송(quasi-ballistic transport)에 접근할 수 있도록 서로(공간적으로나 에너지 적으로) 충분히 근접한 상태로 충분한 추가 상태를 도입하는 것이다.
다른 실시예에서, 프로그램 가능 ROM(PROM)이 제공된다. 금속 이온 또는 인터컬레이터 도펀트는 산화 환원, 또는 전기 활성 스위칭 특성으로 인해 부분적으로 선택된다. 적용된 전류에 의해 감소 또는 산화될 수 있는 도펀트는 충전 상태를 변경한다. 이러한 시스템의 전하 상태를 변경하면 컨덕턴스가 변경되어 디지털 값을 기록하는 메커니즘을 제공한다.
바람직한 산화 환원 또는 전기 활성 스위칭 분자 또는 나노 입자는 Au, PbS, PbSe, Ge 및 Ag를 포함한다. 나노 입자의 충전 상태는 저항을 변화시킬 수 있다. 이를 일으키는 한 가지 현상은 Coulomb Blockade이다. 바람직한 전기 활성 스위칭 분자는 메틸렌 블루(Methylene Blue), 페로센(Ferrocene), 안트라퀴논(Anthraquinone), 노르보르나디엔(Norbornadiene) 및 다양한 형광 단을 포함한다.
이러한 접근법의 조합은 예를 들어, 컨덕턴스(전도도)의 4 자릿수를 커버하는 2비트(4-레벨) 아키텍처를 인코딩하는 데 사용될 수 있는 특정 시퀀스의 식별을 허용할 것이다. 고유한 컨덕턴스 또는 저항 상태는 특정 DNA 서열, 구조를 설계하고 구조를 강화하여 설계할 수 있다.
단일 분자 절단 접합 (Single-molecule break-junction: SMBJ) 및 리소그래피 기반 컨덕턴스 측정은 컨덕턴스가 시퀀스, 길이 및 형태에 민감하다는 것을 보여준다. 결과는 스택에서 G: C (구아닌:사이토신) 염기 쌍의 수를 늘리면 구조 (A 형 또는 B 형)에 관계없이 저항이 체계적으로 증가한다는 것을 보여준다. DNA는 환경을 제어함으로써 현장에서 이러한 형태 사이에서 전환 될 수 있으며, A 형은 B 형보다 저항이 지속적으로 약 8 배 낮다. 이 놀라운 결과는 A 형에서 HOMO 수준의 비 국소화가 증가했기 때문이다.
예를 들어, 컨덕턴스(전도도)가 이중 가닥 DNA 및 DNA: RNA 하이브리드 둘 다에서 단일 염기 불일치에 민감하다는 것이 입증되었다. 일부 불일치는 측정하기에 너무 작은 컨덕턴스를 가지고 있어 잠재적인 메모리 소자로 사용하기에 매우 독특한 저항 값을 제공한다는 점도 흥미롭다.
전반적으로, 상이한 DNA 및 DNA: RNA 시스템에 대한 결과는 길이와 서열 모두에 따라 전도도의 약 3 자릿수 변화를 보여준다. 이는 단일 비트 (0 및 1)를 직접 인코딩하는 데 사용할 수 있는 매우 다른 컨덕턴스 값을 가진 두 시퀀스를 직접 식별할 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 시퀀스 5'-GCGCGCGC-3'(보완체 추가(plus complement))는 약 1x10-3 G0의 컨덕턴스를 가지며, 여기서 5'-CCC-TTTTTTTTT-CCC-3'(보완체 추가)의 컨덕턴스는 약 7x10-6 G0 (G0은 컨덕턴스 양자 임)이다. 이 두 시퀀스 간의 중요한 차이점은 초기 단일 비트 메모리 소자 설계에 사용될 수 있다.
전자적 관점에서 본 DNA의 흥미로운 특징 중 하나는, 1D 양자 수송 특성이다. DNA의 개별 염기가 독립적인 호핑 부위(hopping sites)로 작용하는지에 대한 의견 차이가 있었지만, 최근에는 관측된 분산 HOMO 레벨에서 볼 수 있듯이 전하 캐리어가 스택 내의 여러 염기에 걸쳐 종종 비국재화된다는(delocalized) 것이 분명해졌다. 짧은 DNA 듀플렉스에 대한 연구에 따르면 GC 시스템에서, 짧은 AT 염기쌍은 터널링 장벽을 제공하는 동안 올리고뉴클레오타이드(oligonucleotide) 사슬에서 비국재화된(delocalized) 상태를 통해 수송이 발생한다.
DNA 또는 다른 핵산 또는 하이브리드의 양자 수송 특성을 이용하면 단순히 DNA 길이 또는 상호 연결 가닥 수만 수정하는 것에 대한 추가 제어를 제공하고, 다중 비트 저장을 위해 저항이 다양한 값(2개 이상)에서 제어될 수 있는 시퀀스 설계를 허용한다.
DNA에서 전하 수송의 양자 역학적 특성의 효과를 조작하면 또한 아래에 언급된 은밀한 경로 문제를 극복할 수 있는 다중 비트 메모리 소자의 개발이 가능할 것이다.
두 개의 컨덕턴스 인코딩된 디지털 값을 명확하게 구별하기 위해서는 컨덕턴스 값이 크게 분리 되어야 한다. 위에서 언급했듯이 크로스 와이어 기반 저항성 메모리 어레이를 개발하는 데 있어 한 가지 중요한 문제는 저항을 올바르게 읽을 수 있는지 확인하는 것이다. 문제는 전압이 하나의 수평 라인에 적용되고 전류가 하나의 수직 라인에서 측정되어 단일 요소를 판독하는 경우 판독되는 전체 전류에 기여할 수 있는 다른 가능한 경로가 있다는 것이다. 메모리 소자의 저항이 높으면 저항이 낮은 다른 경로가 전류를 지배하고 결과적으로 값을 잘못 읽을 수 있다.
구조적 관점에서, 이 문제는 수직 및 수평 나노 와이어 사이에 놓인 메모리 소자와 직렬로 다이오드를 연결함으로써 피할 수 있다. 지금까지 제안된 나노 스케일 메모리에서 이러한 다이오드는 두 가지 어려움을 야기한다. 첫째, 다이오드가 차지하는 면적으로 인해 메모리 밀도를 낮추고, 둘째, 메모리 소자가 새로운 기술을 기반으로 하고 다이오드가 실리콘을 기반으로 하기 때문에 제조 복잡성을 증가시킨다. 여기서 제안된 DNA 기술의 장점은 수직 및 수평 나노 와이어 사이에 DNA 기반 메모리 소자와 직렬로 DNA 기반 다이오드 소자를 포함하도록 자체 조립 프로세스를 프로그래밍 할 수 있다는 것이다. MPA에 의한 모델링은 GGGGGGTTTTTTT 시퀀스가 다이오드 역할을 할 것임을 보여준다(G와 T 사이의 이온화 전위차의 결과로). 코랄린(coralyne) 인터칼레이터 또는 대체 베이스가 이 정류(rectification)를 제공 할 수 있다는 것도 입증되었다. 도 4의 실시예에 도시된 바와 같이, 하나의 DNA 메모리 소자(24)는 다중 병렬 경로를 갖는 시스템에서 DNA 다이오드 저항성 서열(28)로 디지털 값을 인코딩할 수 있는 DNA 서열(26)의 조합을 가진다. 메모리 소자는 금 나노 입자(30) 또는 나노로드로 기능화 될 수 있다.
본 명세서에 설명된 기술은 첨부된 예를 참조하여 더 잘 이해 될 수 있으며, 이는 단지 예시의 목적으로 의도된 것이며 여기에 첨부된 청구 범위에 정의된 바와 같이 본 명세서에 설명 된 기술의 범위를 제한하는 어떤 의미로 해석되어서는 안 된다.
예시 1
DNA 종이접기(DNA-origami) 나노 와이어 제작 방법의 기능성을 설명하기 위하여, 대략 1.25μm 길이의 DNA- 종이 접기 나노 와이어는 5 개의 10HB DNA 나노 로드 번들의 종단간(end-to-end) 계층적 어셈블리에 의해 설계되고 제작되었다. 10HB DNA 나노 로드 모노머(단량체)는 더 적은 나선형 번들을 가진 나노 로드 디자인에 비해 증가된 강성(rigidity)과 더 긴 지속성 길이 때문에 빌딩 블록으로 선택되었다. 10HB 나노 로드 모노머는 caDNAno로 설계되었으며 투과 전자 현미경 (TEM)으로 검증되었다. 선택된 스테이플 가닥은 형광 현미경 이미징을 위한 다중 형광 염료를 통합하기 위해 형광 염료 표지된 DNA 가닥에 상보적인 핸들 도메인 확장으로 수정되었다.
1.25μm DNA-종이접기 나노 와이어를 생성하기 위해, 5개의 동일한 나노로드 샘플에 한 쌍의 독특한 끈적한 말단을 장착하여 5 개의 10HB 나노로드 단량체를 함께 연결 하였다. 24 개의 핸들 확장을 포함하는 각 나노 로드와 함께 총 120개의 형광단이 각 나노 와이어에 통합 될 수 있다. 또한 티올 변형 DNA 가닥에 대한 5 개의 캡처 핸들(capture handles)이 펜타머 나노 와이어(pentamer nanowire)(첫 번째 10HB 나노로드 모노머 및 마지막 10HB 나노로드 모노머)의 양쪽 끝에서 연장되어 와이어를 금 기판에 고정할 수 있다.
5 개의 10HB 나노로드 모노머를 완충액에서 개별적으로 조립한 다음 동일한 농도로 함께 혼합하여 1.25μm DNA- 종이 접기 나노와이어를 생성한 다음 천연 아가로스 겔 전기 영동으로 정제하였다. 정제된 DNA 나노와이어는 수용액에서 TEM (건조 조건 하) 및 형광 이미징에 의해 이미지화되었다. DNA 나노 와이어의 전체적인 형태는 TEM 이미지에서 명확하게 확인되었다. 내부 전반사 형광 (TIRF) 현미경 및 에피 형광 현미경을 포함한 형광 현미경 검사는 또한 수용액에서 네이티브 조건 하에서 DNA 나노 와이어의 성공적인 조립을 확인하였다.
DNA 종이 접기 기반 나노 와이어 구조를 생성한 후, 기판 표면에 전극과 접촉하여 배치 하였다. 나노 와이어는 초기 전기 특성화를 위해 기판에 배치되었고, 유전 영동(Dielectrophoresis)를 사용하여 정밀 배치를 위해 두 번째 기판에 배치되었다.
먼저, 상술 한 티올(thiol-) 및 형광 변형(fluorescent-modified) DNA 종이 접기 구조를 전기적 특성화를 위해 전극 어레이 칩에 배치 하였다. 이 구조를 통해 DNA의 초기 컨덕턴스(전도도) 값을 테스트하고 컨덕턴스(전도도) 변형 계획 (도핑, 삽입 등)을 테스트 할 수 있다. 전극은 기판(산화물 또는 질화물 절연 층)에 삽입되어 DNA 나노 와이어가 가로질러 놓을 수 있는 평면 구조를 만들었다. DNA 나노 와이어는 표면을 조심스럽게 청소한 후 나노 와이어 용액에서 표면을 배양하여 표면에 배치되었다. DNA 나노 와이어에 대한 형광 변형으로 인해, 전기적 특성화를 위해 어떤 전극 세트가 DNA 나노 와이어에 의해 연결되는지 확인하기 위해 형광 현미경을 통해 이미지화 할 수 있었다. DNA 나노 와이어의 저항은 유리한 전기적 특성을 가진 인터칼레이터로 시스템을 인큐베이션함으로써 감소하는 것으로 나타났다(안트라퀴논 기반 인터칼레이터가 여기에 사용되었다). 이것은 DNA 나노 와이어 컨덕턴스가 넓은 범위에서 조정될 수 있음을 입증했다.
예시 2
장치 및 방법의 작동 원리를 추가로 입증하기 위해, 다른 서열 및 길이의 변형 및 비 변형 DNA 나노 와이어를 평가했다. DNA 컨덕턴스(전도도) 값은 각 X-와이어 접합 내에 여러 비트를 저장할 수 있도록 넓은 범위에 걸쳐있을 수 있다. 삽입(인터칼레이션), 금속 이온 도핑 및 금속 나노 입자가 DNA 나노 와이어의 컨덕턴스(전도도)에 미치는 영향은 네이티브 및 변형된 나노 와이어의 컨덕턴스(전도도)를 비교하여 결정되었다.
거의 3 자릿수 차이가 나는 DNA 나노 와이어의 두 가지 예의 전도도 값이 도 3a 및 도 3b에 도시되어있다. 이 경우 순서는 동일하지만 높은 컨덕턴스 케이스에서 저항을 변경하기 위해 인터칼레이터가 사용되었다. 이러한 측정은 메모리 소자 역할을 하는 짧은 DNA 시스템의 전도도 값의 충분한 분리를 직접 보여준다. 예를 들어, 이 두 소자는 각각 0과 1로 사용될 수 있지만 다른 변형 및 시퀀스의 다양한 변경을 사용하여 접합 당 여러 비트를 코딩 할 수 있다(예:4 개 값 00, 01, 10, 11).
예시 3
장치 및 방법의 작동 원리를 더 설명하기 위해, 기판에 DNA 나노 와이어의 정밀한 배치는 다양한 방식으로 입증되었다. 유전 영동 트래핑(Dielectrophoretic trapping)은 DNA 나노 와이어의 위치에 대한 한 가지 바람직한 접근 방식을 설명하기 위해 사용되었다. 이 접근법에서 고주파(MHz 범위) AC 필드가 두 전극 사이에 적용되었다. DNA+ counterion 시스템은 분극이 가능하기 때문에 AC 장은 분극을 유도하여 장 구배와 평행한 DNA에 힘을 생성한다. 결과적으로 DNA 종이 접기 소자는 구동 필드의 소스를 향해 구동된다.
관심 영역에 전계 구배(field gradient)를 집중시키는 유전 영동을 수행하기 위한 칩을 사용 하였다. 0.7V와 1.0V 사이의 진폭인 6MHz AC 장을 접합부에 6 ~ 11 분 동안 적용하여 DNA- 종이 접기 기반 나노 와이어를 포획하고 방향을 정하였다. 유전 영동으로 갇힌 DNA-종이 접기 기반 나노 와이어의 형광 이미지가 관찰되었다.
DNA를 포획하기 위한 최적의 전기적 조건(접합의 유전 반응의 변화로 인한 결합을 인식)이 확인되었다. 두 전극 사이의 접합부에 DNA를 집중시키고 전극 사이에 적은 수의 DNA 종이 접기를 얻을 수 있었다. 지속적인 최적화는 단일 DNA 나노 와이어의 포획을 허용했다.
본 명세서의 설명으로부터, 본 개시는 다음을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다수의 실시예를 포함한다는 것을 이해할 것이다:
1. 크로스-와이어(cross-wire) 메모리 장치에 있어서, (a) 제 1 복수의 핵산 기반 나노 와이어; (b) 제 2의 복수의 핵산 기반 나노 와이어; 상기 제 1 복수의 핵산 기반 나노 와이어에서 각각의 나노 와이어는 상기 제 2 복수의 핵산 기반 나노 와이어에서 나노 와이어를 가로질러 교차하고(crossing over); 및 (c) 각각의 메모리 소자는 제 1 나노 와이어와 제 2 나노 와이어를 연결하는 복수의 전도성 메모리 소자; 를 포함하고, 상기 각각의 메모리 소자는 데이터 비트를 인코딩하기 위해 제어된 컨덕턴스(conductance)를 가지는, 장치.
2. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 기판; 및 상기 기판에 장착된 복수의 전극;을 더 포함하고, 상기 상기 핵산 기반 나노 와이어의 제 1 단부는 하나의 전극에 장착되고, 상기 핵산 기반 나노 와이어의 제 2 단부는 별도의 전극에 장착되는, 장치.
3. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 핵산 기반 나노 와이어는 DNA, RNA, 트레오스 핵산(TNA), 펩타이드 핵산(PNA), 글리콜 핵산(GNA), 잠금 핵산(locked nucleic acid: LNA), 브리지 핵산 (BNA), 및 포스포로디아미데이트 모르폴리노 올리고머(phosphorodiamidate morpholino oligomer)(PMO)로 구성된 핵산 그룹으로부터 선택된 핵산으로부터 조립되는, 장치.
4. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 핵산 기반 나노 와이어는 상기 나노 와이어에 결합된 전도성 금속 나노 입자를 더 포함하는, 장치.
5. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 핵산 기반 나노 와이어는 탄소 나노튜브(carbon nanotubs), 탄소 나노로드(carbon nanorods), 카본 블랙(carbon black), 그래핀 시트(graphene sheets), 그래핀 나노리본(graphene nanoribbons), 및 탄소 나노섬유(carbon nanofibers)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 나노 와이어에 결합된 전도성 탄소를 더 포함하는, 장치.
6. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 핵산 기반 나노 와이어는 Cu2 +, Fe3 +, Cu2 + 및 Ag+로 구성된 이온 그룹에서 선택된 이온으로 금속 이온 도핑으로 변형되는, 장치.
7. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 핵산 기반 나노 와이어는 안트라퀴논(anthraquinone), 페로센(ferrocene), 노르보르나디엔(norbornadiene), 메틸렌 블루(methylene blue), 에티듐(ethidium), 코랄린(coralyne) 및 크립토레핀(cryptolepin)으로 구성된 인터칼레이터(intercalators) 그룹에서 선택된 인터칼레이터 분자 도핑을 추가로 포함하는, 장치.
8. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 메모리 소자는, 상기 제 1 및 제 2 나노 와이어를 연결하는 하나 이상의 핵산 가닥을 포함하고, 상기 핵산 가닥은 특징적인 컨덕턴스를 생성하는, 장치.
9. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 특징적인 컨덕턴스는 연결 핵산 가닥의 서열, 길이 및 수에 의해 제어되는, 장치.
10. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 특징적인 컨덕턴스는 Cu2 +, Fe3 +, Cu2 + 및 Ag+로 구성된 이온 그룹에서 선택된 이온으로 상기 핵산 가닥의 금속 이온 도핑에 의해 추가로 제어되는, 장치.
11. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 특징적인 컨덕턴스는 상기 핵산 가닥을 전도성 금속 나노 입자로 도핑함으로써 추가로 제어되는, 장치.
12. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 특징적인 컨덕턴스는 탄소 나노튜브(carbon nanotubs), 탄소 나노로드(carbon nanorods), 카본 블랙(carbon black), 그래핀 시트(graphene sheets), 그래핀 나노리본(graphene nanoribbons), 및 탄소 나노섬유(carbon nanofibers)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전도성 탄소 도펀트로 상기 핵산 가닥을 도핑함으로써 추가로 제어되는, 장치.
13. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 특징적인 컨덕턴스는 안트라퀴논(anthraquinone), 메틸렌 블루(methylene blue), 에티듐(ethidium), 코랄린(coralyne) 및 크립토레핀(cryptolepin)으로 구성된 인터칼레이터 그룹으로부터 선택된 인터칼레이터로 상기 핵산 가닥의 분자 도핑에 의해 추가로 제어되는, 장치.
14. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 메모리 소자의 상기 핵산 가닥은 DNA, RNA, DNA:RNA 하이브리드, 트레오스핵산 (TNA), 펩타이드 핵산 (PNA), 글리콜 핵산 (GNA), 잠금 핵산 (LNA), 브리지 핵산(BNA) 및 포스포로디아미데이트 모르폴리노 올리고머(PMO)으로 구성된 핵산 그룹에서 선택된 핵산인, 장치.
15. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 나노 와이어를 연결하는 다이오드 서열과 결합된 디지털 값을 인토딩할 수 있는 서열을 갖는 복수의 핵산 가닥을 포함하고, 상기 결합된 핵산 다이오드 가닥은 특징적인 컨덕턴스를 생성하는 다중, 병렬 경로(multiple, parallel paths)를 갖는 메모리 소자로 구성되는, 장치.
16. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 다이오드는 GGGGGGTTTTTT를 포함하는 서열을 갖는 핵산 가닥의 말단으로부터 형성되는, 장치.
17. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 다이오드는 코랄린 인터칼레이터(coralyne intercalators)를 포함하는 핵산 가닥의 말단으로부터 형성되는, 장치.
18. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 복수의 핵산 가닥은 동일하지 않은 서열을 갖는, 장치.
19. 메모리 장치에 있어서, (a) 기판; (b) 상기 기판에 장착된 복수의 전극; 및 (c) 크로스-와이어 메모리 유닛의 배열;을 포함하고, 각 유닛은: (1) 제 1 복수의 전도성 나노 와이어; 여기서 각각의 나노 와이어가 전극에 결합된 두개의 단부를 갖고, (2) 제 2 복수의 전도성 나노 와이어; 여기서 각각의 나노 와이어는 각각의 단부가 전극에 결합된 두개의 단부를 갖고, 상기 제 1 복수의 전도성 와이어 내 각각의 나노 와이어는 상기 제 2 복수의 핵산 기반나노 와이어의 나노 와이어에서 가로질러 교차하고(crossing over); 및 (c) 각각의 메모리 소자가 제 1 나노 와이어와 제 2 나노 와이어를 연결하는 복수의 핵산 기반 메모리 소자;를 포함하고, 상기 각각의 메모리 소자는 데이터 비트를 인코딩하기 위해 제어된 컨덕턴스(conductance)를 가지는, 장치.
20. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 제 1 복수의 나노 와이어의 나노 와이어는, 상기 제 2 복수의 나노 와이어에 대해 직각으로 배향되는, 장치.
21. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 제 1 복수의 전도성 나노 와이어 및 상기 제 2 복수의 전도성 나노 와이어는 핵산 기반 나노와이어인, 장치.
22. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 핵산 기반 나노 와이어는 DNA, RNA, 트레오스 핵산(TNA), 펩타이드 핵산(PNA), 글리콜 핵산(GNA), 잠금 핵산(locked nucleic acid: LNA), 브리지 핵산 (BNA), 및 포스포로디아미데이트 모르폴리노 올리고머(phosphorodiamidate morpholino oligomer)(PMO)로 구성된 핵산 그룹으로부터 선택된 핵산으로부터 조립되는, 장치.
23. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 메모리 소자는, 상기 제 1 및 제 2 나노 와이어를 연결하는 하나 이상의 핵산 가닥을 포함하고, 상기 핵산 가닥은 특징적인 컨덕턴스를 생성하는, 장치.
24. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 특징적인 컨덕턴스는 연결 핵산 가닥의 서열, 길이 및 수에 의해 제어되는, 장치.
25. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 핵산 가닥은 Cu2 +, Fe3+, Cu2 + 및 Ag+로 구성된 이온 그룹에서 선택된 이온으로 상기 핵산 가닥의 금속 이온 도핑에 의해 변형되는, 장치.
26. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 핵산 가닥은 전도성 금속 나노 입자로 도핑함으로써 변형되는, 장치.
27. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 전도성 금속 나노 입자는 Au, PbS, PbSe, Ge, 및 Ag로 구성된 금속 그룹에서 선택된 금속인, 장치.
28. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 핵산 가닥은 탄소 나노튜브(carbon nanotubs), 탄소 나노로드(carbon nanorods), 카본 블랙(carbon black), 그래핀 시트(graphene sheets), 그래핀 나노리본(graphene nanoribbons), 및 탄소 나노섬유(carbon nanofibers)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전도성 탄소 도펀트로 변형되는, 장치.
29. 임의의 선행 또는 후속 실시예의 장치에 있어서, 상기 핵산 가닥은 안트라퀴논(anthraquinone), 메틸렌 블루(methylene blue), 에티듐(ethidium), 코랄린(coralyne) 및 크립토레핀(cryptolepin)으로 구성된 인터칼레이터 그룹으로부터 선택된 인터칼레이터로 분자 도핑에 의해 변형되는, 장치.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 용어 "a", "an" 및 "the"는 문맥 상 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함할 수 있다. 단수로 된 객체에 대한 언급은 명시적으로 언급하지 않는 한 "하나만"을 의미하는 것이 아니라 "하나 이상"을 의미한다.
본원에 사용된 용어 "세트"는 하나 이상의 객체의 집합을 의미한다. 따라서, 예를 들어, 개체 집합에는 단일 개체 또는 여러 개체가 포함될 수 있다.
본원에 사용된 용어 "실질적으로" 및 "약"은 작은 변형을 설명하는데 사용된다. 이벤트 또는 상황과 함께 사용되는 경우 용어는 이벤트 또는 상황이 정확하게 발생하는 경우뿐만 아니라 이벤트 또는 상황이 가까운 근사치로 발생하는 경우를 의미할 수 있다. 숫자 값과 함께 사용되는 경우 용어는 해당 숫자 값의 ±10% 이하의 변동 범위 (예: ±5% 이하, ±4%이하, ± 3 % 이하, ± 2 % 이하, ± 1 % 이하, ± 0.5 % 이하, ± 0.1 % 이하, 이하 또는 ± 0.05 %)를 나타낼 수 있다.
예를 들어, "실질적으로" 정렬된 것은, 이하와 같이 ± 10°이하, ±5°이하, ±4°이하, ±3°, ± 2 °이하, ± 1 °이하, ± 0.5 °이하, ± 0.1° 이하, 또는 ±0.05° 이하의 각도 변화 범위를 나타낼 수 있다.
추가로, 양, 비율 및 기타 수치는 때때로 범위 형식으로 여기에 제시될 수 있다. 이러한 범위 형식은 편의성과 간결성을 위해 사용되며 범위의 한계로 명시적으로 지정된 숫자 값을 포함하도록 유연하게 이해 되어야 할 뿐만 아니라, 각 숫자 값과 하위 범위가 명시적으로 지정된 것처럼 해당 범위 내에 포함된 모든 개별 숫자 값 또는 하위 범위를 포함한다. 예를 들어, 약 1 내지 약 200 범위의 비율은 명시적으로 언급된 약 1 및 약 200의 한계를 포함하는 것으로 이해되어야 할뿐만 아니라, 또한 약 2, 약 3 및 약 4와 같은 개별 비율 및 약 10 내지 약 50, 약 20 내지 약 100 등과 같은 하위 범위를 포함한다.
본 명세서의 설명은 많은 세부 사항을 포함하지만, 이들은 본 개시 내용의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며 단지 현재 바람직한 실시 예 중 일부의 예시를 제공하는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 본 개시의 범위는 당업자에게 명백할 수 있는 다른 실시 예를 완전히 포함한다는 것을 이해할 것이다.
당업자에게 공지된 개시된 실시 예의 요소에 대한 모든 구조적 및 기능적 등가물은 본원에 참조로 명시적으로 포함되며 본 청구 범위에 포함되도록 의도된다. 더욱이, 본 개시 내용의 어떠한 요소, 구성 요소 또는 방법 단계도 청구 범위에 명시적으로 언급된 요소, 구성 요소 또는 방법 단계에 관계없이 대중에게 전용되도록 의도되지 않는다. 본 명세서의 청구 요소의 "수단"은 문구를 사용하여 명시적으로 언급되지 않는 한 "기능 플러스 수단"요소로 해석되어서는 안 된다. 본 명세서의 청구 요소는 "step for"라는 구를 사용하여 명시적으로 언급되지 않는 한 "기능 플러스 스텝"의 요소로 해석되어서는 안 된다.

Claims (29)

  1. 크로스-와이어(cross-wire) 메모리 장치에 있어서,
    (a) 제 1 복수의 핵산 기반 나노 와이어;
    (b) 제 2의 복수의 핵산 기반 나노 와이어; 상기 제 1 복수의 핵산 기반 나노 와이어에서 각각의 나노 와이어는 상기 제 2 복수의 핵산 기반 나노 와이어에서 나노 와이어를 가로질러 교차하고(crossing over); 및
    (c) 각각의 메모리 소자는 제 1 나노 와이어와 제 2 나노 와이어를 연결하는 복수의 전도성 메모리 소자; 를 포함하고, 상기 각각의 메모리 소자는 데이터 비트를 인코딩하기 위해 제어된 컨덕턴스(conductance)를 가지는,
    장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    기판; 및
    상기 기판에 장착된 복수의 전극;을 더 포함하고,
    상기 상기 핵산 기반 나노 와이어의 제 1 단부는 하나의 전극에 장착되고, 상기 핵산 기반 나노 와이어의 제 2 단부는 별도의 전극에 장착되는, 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 핵산 기반 나노 와이어는 DNA, RNA, 트레오스 핵산(TNA), 펩타이드 핵산(PNA), 글리콜 핵산(GNA), 잠금 핵산(locked nucleic acid: LNA), 브리지 핵산 (BNA), 및 포스포로디아미데이트 모르폴리노 올리고머(phosphorodiamidate morpholino oligomer)(PMO)로 구성된 핵산 그룹으로부터 선택된 핵산으로부터 조립되는, 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 핵산 기반 나노 와이어는 상기 나노 와이어에 결합된 전도성 금속 나노 입자를 더 포함하는, 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 핵산 기반 나노 와이어는 탄소 나노튜브(carbon nanotubs), 탄소 나노로드(carbon nanorods), 카본 블랙(carbon black), 그래핀 시트(graphene sheets), 그래핀 나노리본(graphene nanoribbons), 및 탄소 나노섬유(carbon nanofibers)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 나노 와이어에 결합된 전도성 탄소를 더 포함하는, 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 핵산 기반 나노 와이어는 Cu2 +, Fe3 +, Cu2 + 및 Ag+로 구성된 이온 그룹에서 선택된 이온으로 금속 이온 도핑으로 변형되는, 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 핵산 기반 나노 와이어는 안트라퀴논(anthraquinone), 페로센(ferrocene), 노르보르나디엔(norbornadiene), 메틸렌 블루(methylene blue), 에티듐(ethidium), 코랄린(coralyne) 및 크립토레핀(cryptolepin)으로 구성된 인터칼레이터(intercalators) 그룹에서 선택된 인터칼레이터 분자 도핑을 추가로 포함하는, 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 메모리 소자는, 상기 제 1 및 제 2 나노 와이어를 연결하는 하나 이상의 핵산 가닥을 포함하고, 상기 핵산 가닥은 특징적인 컨덕턴스를 생성하는, 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 특징적인 컨덕턴스는 연결 핵산 가닥의 서열, 길이 및 수에 의해 제어되는, 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 특징적인 컨덕턴스는 Cu2 +, Fe3 +, Cu2 + 및 Ag+로 구성된 이온 그룹에서 선택된 이온으로 상기 핵산 가닥의 금속 이온 도핑에 의해 추가로 제어되는, 장치.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 특징적인 컨덕턴스는 상기 핵산 가닥을 전도성 금속 나노 입자로 도핑함으로써 추가로 제어되는, 장치.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 특징적인 컨덕턴스는 탄소 나노튜브(carbon nanotubs), 탄소 나노로드(carbon nanorods), 카본 블랙(carbon black), 그래핀 시트(graphene sheets), 그래핀 나노리본(graphene nanoribbons), 및 탄소 나노섬유(carbon nanofibers)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전도성 탄소 도펀트로 상기 핵산 가닥을 도핑함으로써 추가로 제어되는, 장치.
  13. 제 9항에 있어서, 상기 특징적인 컨덕턴스는 안트라퀴논(anthraquinone), 메틸렌 블루(methylene blue), 에티듐(ethidium), 코랄린(coralyne) 및 크립토레핀(cryptolepin)으로 구성된 인터칼레이터 그룹으로부터 선택된 인터칼레이터로 상기 핵산 가닥의 분자 도핑에 의해 추가로 제어되는, 장치.
  14. 제 8항에 있어서, 상기 메모리 소자의 상기 핵산 가닥은 DNA, RNA, DNA:RNA 하이브리드, 트레오스핵산 (TNA), 펩타이드 핵산 (PNA), 글리콜 핵산 (GNA), 잠금 핵산 (LNA), 브리지 핵산(BNA) 및 포스포로디아미데이트 모르폴리노 올리고머(PMO)으로 구성된 핵산 그룹에서 선택된 핵산인, 장치.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 나노 와이어를 연결하는 다이오드 서열과 결합된 디지털 값을 인토딩할 수 있는 서열을 갖는 복수의 핵산 가닥을 포함하고, 상기 결합된 핵산 다이오드 가닥은 특징적인 컨덕턴스를 생성하는 다중, 병렬 경로(multiple, parallel paths)를 갖는 메모리 소자로 구성되는, 장치.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 다이오드는 GGGGGGTTTTTT를 포함하는 서열을 갖는 핵산 가닥의 말단으로부터 형성되는, 장치.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 다이오드는 코랄린 인터칼레이터(coralyne intercalators)를 포함하는 핵산 가닥의 말단으로부터 형성되는, 장치.
  18. 제 15항에 있어서, 상기 복수의 핵산 가닥은 동일하지 않은 서열을 갖는, 장치.
  19. 메모리 장치에 있어서,
    (a) 기판;
    (b) 상기 기판에 장착된 복수의 전극; 및
    (c) 크로스-와이어 메모리 유닛의 배열;을 포함하고,
    각 유닛은:
    (1) 제 1 복수의 전도성 나노 와이어; 여기서 각각의 나노 와이어가 전극에 결합된 두개의 단부를 갖고,
    (2) 제 2 복수의 전도성 나노 와이어; 여기서 각각의 나노 와이어는 각각의 단부가 전극에 결합된 두개의 단부를 갖고, 상기 제 1 복수의 전도성 와이어 내 각각의 나노 와이어는 상기 제 2 복수의 핵산 기반나노 와이어의 나노 와이어에서 가로질러 교차하고(crossing over); 및
    (c) 각각의 메모리 소자가 제 1 나노 와이어와 제 2 나노 와이어를 연결하는 복수의 핵산 기반 메모리 소자;를 포함하고, 상기 각각의 메모리 소자는 데이터 비트를 인코딩하기 위해 제어된 컨덕턴스(conductance)를 가지는, 장치.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 제 1 복수의 나노 와이어의 나노 와이어는, 상기 제 2 복수의 나노 와이어에 대해 직각으로 배향되는, 장치.
  21. 제 19항에 있어서, 상기 제 1 복수의 전도성 나노 와이어 및 상기 제 2 복수의 전도성 나노 와이어는 핵산 기반 나노와이어인, 장치.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 핵산 기반 나노 와이어는 DNA, RNA, 트레오스 핵산(TNA), 펩타이드 핵산(PNA), 글리콜 핵산(GNA), 잠금 핵산(locked nucleic acid: LNA), 브리지 핵산 (BNA), 및 포스포로디아미데이트 모르폴리노 올리고머(phosphorodiamidate morpholino oligomer)(PMO)로 구성된 핵산 그룹으로부터 선택된 핵산으로부터 조립되는, 장치.
  23. 제 19항에 있어서, 상기 메모리 소자는, 상기 제 1 및 제 2 나노 와이어를 연결하는 하나 이상의 핵산 가닥을 포함하고, 상기 핵산 가닥은 특징적인 컨덕턴스를 생성하는, 장치.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 특징적인 컨덕턴스는 연결 핵산 가닥의 서열, 길이 및 수에 의해 제어되는, 장치.
  25. 제 23항에 있어서, 상기 핵산 가닥은 Cu2 +, Fe3 +, Cu2 + 및 Ag+로 구성된 이온 그룹에서 선택된 이온으로 상기 핵산 가닥의 금속 이온 도핑에 의해 변형되는, 장치.
  26. 제 23항에 있어서, 상기 핵산 가닥은 전도성 금속 나노 입자로 도핑함으로써 변형되는, 장치.
  27. 제 23항에 있어서, 상기 전도성 금속 나노 입자는 Au, PbS, PbSe, Ge, 및 Ag로 구성된 금속 그룹에서 선택된 금속인, 장치.
  28. 제 23항에 있어서, 상기 핵산 가닥은 탄소 나노튜브(carbon nanotubs), 탄소 나노로드(carbon nanorods), 카본 블랙(carbon black), 그래핀 시트(graphene sheets), 그래핀 나노리본(graphene nanoribbons), 및 탄소 나노섬유(carbon nanofibers)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 전도성 탄소 도펀트로 변형되는, 장치.
  29. 제 23항에 있어서, 상기 핵산 가닥은 안트라퀴논(anthraquinone), 메틸렌 블루(methylene blue), 에티듐(ethidium), 코랄린(coralyne) 및 크립토레핀(cryptolepin)으로 구성된 인터칼레이터 그룹으로부터 선택된 인터칼레이터로 분자 도핑에 의해 변형되는, 장치.

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