ニューヨーク州立大学Albany校のナノスケール科学工学カレッジ(CNSE：College of Nanoscale Science and Engineering)教授、John Hartley氏の目には、ボトムアップ自己組織化をデバイス製造に適用するために必要な情報が欠如しているのは明らかだった。

　Hartley氏は、自己組織化を実現するには、複雑な構造を構築するために必要な情報もそのプロセスに含まれなければならないと実感していた。同氏とその研究グループは“Lock-and-Key”（鍵と鍵穴）リソグラフィという考えにたどりついた。分子スケールの成分を自己組織化させるには、何か化学的なLock（鍵）とKey（鍵穴）が必要というのが基本コンセプトだ。「当初これは、コード化された情報を参照し、バイナリービットとして見るなど、抽象的な感覚で見られていた」とHartley氏は言う。

　「補完的なビットの集合体では、あるものはLockに、また別のものはKeyとなる。そして、熱力学によってそれらが一緒になり自己組織化して1つの複雑な構造になる」。

　Hartley氏はカリフォルニア大学リバーサイド校のMihri Ozkan教授と共同研究した。同教授はDNAとPNA（ペプチド核酸）をCNT (Carbon Nanotube)の末端にくくりつけた。これは、LockとKeyを電子的に興味深い分子構造に結びつけるための化学的な必須条件だった。そして、特定の種類の構造を組織化するLockとKeyを設計する方法が開発された。研究グループは、あるLockを指定されたKeyにのみ結びつけ、互いに干渉しないようにして、一連の遺伝子的なLockとKey、つまりDNAシーケンスを設計した。これにより、クロストークを起こさずに、Lock 1はKey 1に、Lock 2はKey 2にのみ結合するような、1つのソリューションに複数のLockとKeyが同時に存在できるようになる。

　当初、同研究グループは多くの短い遺伝子シーケンスを使っており、蛍光体であるフルオロフォア（Fluorophore）を用いて、後に量子ドットで標識していた。その後、マトリクス実験が行われ、4つの異なる遺伝子Lockバージョンの列に、遺伝子Key溶液4セットの行をクロスさせた。高い選択比が得られ、LockとKeyが意図したとおりに一致する、という結果になった。

　この特別な計測法は分子スケールで起きていることを測定する手段となった（図）。分子の性質とそのときの水性環境により、AFM (原子間力顕微鏡：Atomic Force Microscopy)やSEM、TEM技術を使って測定することは不可能だった。フルオロフォアは、光学顕微鏡とビデオカメラを使うだけで、実験中に起きていることを高度に平行測定する方法をもたらした。実験では分子スケールで量的に何が起きているかを観察することができた。この方法の変化形を、単一の対合を検知する技術に応用できるだろう。

　Hartley氏とその同僚らは、次はカーボンナノワイヤ成膜の制御に取り組む計画だ。「多くの研究者は各研究室に適した方法で個別のナノワイヤを実験しているが、製造には満足できないものだ。デバイスを1つか2つ作るのにはいいが、製造のソリューションには程遠い」と同氏は述べた。「CNT FETを考えていると仮定しよう。ゲート電極を形成するメタライゼーション工程の前に、制御しながら、2つの電極間に単一のCNTを置こうとする。Lock-and-Key方式を使えば、従来のリソグラフィから派生した方法で基板上にLockを成膜し、その後、KeyのついたCNT溶液を基板上に流すことができる。ナノチューブはランダム分布になるのではなく、Lockと合うKeyを並べ、その結果、規則的に配列された大きなCNTアレイ構造ができ、それによってデバイスを作る」。

　これはもちろん、適切な測定技術なくしてはありえなかった。フルオロフォアや量子ドットを輸送する統合されたテスト構造は、プロセスの総成功率を高度に、平行してサンプリングする方法として使用される。