Pozwól naturze być architektem

Zainspirowana misternym pięknem kształtów tworzonych przez mikroorganizmy – oraz zdolnością tych organizmów do szybkiego rozmnażania się – grupa badaczy z Gruzji mogła znaleźć skuteczny sposób na stworzenie części w nanoskali dla elektroniki nowej generacji.

Inżynier chemik Kenneth Sandhage z Georgia Institute of Technology oraz zespół biologów, genetyków i elektroników opublikowali szczegóły nowego procesu przekształcania drobno szczegółowych szkieletów krzemionkowych okrzemek, rodzaju jednokomórkowych alg, w syntetyczne repliki wykonane z materiałów takich jak dwutlenek tytanu, który przewodzi prąd i może być stosowany w urządzeniach elektronicznych.

Nowe techniki wykorzystują własną zdolność rozmnażania się okrzemek i mogą być wykorzystywane do masowej produkcji skomplikowanych struktur trójwymiarowych.

Znakomita praca to opis zastosowany przez Karla Berggrena, szefa Grupa Nanostruktur Kwantowych i Nanowytwarzania w MIT, który nie był zaangażowany w badania. To nowa koncepcja dotycząca pewnych dużych problemów w nanofabrykacji.

Sandhage mówi, że wpadł na ten pomysł po tym, jak siedział obok biologa morskiego podczas podróży autobusem. Pokazała mu misterne, przypominające bożonarodzeniowe ornamenty konstrukcje wykonane przez okrzemki. Sandhage postanowił spróbować hodować organizmy jako szablony dla potencjalnych nanourządzeń.

Ta część jest łatwa, ponieważ okrzemki rozmnażają się poprzez rozszczepienie komórek, tworząc dwie dokładne kopie ich skorupek krzemionkowych. Po 40 pokoleniach pojedynczy okrzemek rozmnoży się w bilion kopii.

Sandhage następnie wykorzystuje kilka metod, aby pokryć skorupki okrzemek substancjami metalicznymi lub całkowicie je zastąpić. Używa materiałów takich jak dwutlenek tytanu (znany również jako tytan), które są lepszymi przewodnikami i mogą wytrzymać naprężenia termiczne, dwie ważne cechy materiałów stosowanych w elektronice.

Powstałe struktury mają cechy mierzone w dziesiątkach nanometrów, porównywalne z najmniejszymi cechami chipów produkowanych obecnie przy użyciu konwencjonalnych technik fotolitograficznych. Różnica: złożone trójwymiarowe kształty można wytwarzać znacznie szybciej dzięki podejściu Sandhage.

To ważne, ponieważ trójwymiarowe projekty chipów mogą pomóc producentom w dostarczaniu mocniejszych mikroprocesorów w tempie wyznaczonym przez prawo Moore'a, które mówi, że liczba tranzystorów, które mogą zmieścić się w chipie, podwaja się mniej więcej co dwa lata.

Konwencjonalna fotolitografia może być wykorzystywana do budowania trójwymiarowych struktur poprzez dodawanie i wytrawianie jednej warstwy krzemu na raz, ale jest to frustrująco powolny proces, mówi Berggren.

Wskazując na obraz opublikowany w artykule Sandhage – który ukazał się w International Journal of Applied Ceramic Technology – mówi Berggren: Nie ma mowy, żebym wiedział, że moglibyśmy zrobić tę konstrukcję bez technologii, które rozwijają.

Projekt Sandhage nie jest pierwszym, w którym naukowcy wykorzystali organiczne szablony do produkcji urządzeń i materiałów w nanoskali. Angela Belcher, profesor na Wydziale Materiałoznawstwa i Inżynierii MIT, wykorzystała białka wirusowe do złożenia różnych materiałów i uruchomiła startup o nazwie Cambrios realizuje komercyjne zastosowania swojej pracy.

Daniel Solis, doktorant w laboratorium Belchera, pracuje nad wirusami, które mogą przyczepiać się do złotych elektrod i pokrywać się materiałem półprzewodnikowym; w końcu ma nadzieję, że wykorzysta wirusy do stworzenia działających tranzystorów.

Okrzemki mogą dostarczyć szablonów dla wielu innych typów struktur – ale dokładnie, jakie typy nie są jeszcze jasne. Sandhage ma nadzieję, że setki tysięcy przykładów unikalnych kształtów okrzemek występujących w naturze zainspiruje inżynierów do rozważenia nowych możliwości projektowania procesorów i układów pamięci.

Koledzy Sandhage dowiadują się już, w jaki sposób geny okrzemek determinują ich kształt, mając nadzieję na umożliwienie inżynierom zaprojektowania okrzemek według własnych specyfikacji.

Genom jednego gatunku okrzemek został całkowicie zsekwencjonowany, a kolejny jest w drodze. Mark Hildebrand, biolog molekularny z Scripps Institution of Oceanography i partnerzy Sandhage, uważa, że ​​różnorodność naturalnych kształtów okrzemek sugeruje, choć wbrew intuicji, że istnieje tylko kilka podstawowych genów, które kontrolują te kształty.

Jeśli istnieje tylko kilka kluczowych genów, mówi, to stosunkowo niewiele mutacji byłoby wymaganych do spowodowania ogromnej różnorodności istniejących kształtów. Hildebrand ma nadzieję, że identyfikacja tych genów i manipulowanie zarówno genami, jak i środowiskami, w których dorastają okrzemki, umożliwi naukowcom tworzenie nowych struktur.

To nadzieja poparta przez Joannę Aizenberg z Lucent Technologies, która wyprodukowała malutkie soczewki inspirowane strukturą gąbek.

Umiejętność zrozumienia genetyki – w jaki sposób okrzemki wytwarzają różnorodność swoich form – może dać nam możliwość wytwarzania nienaturalnych form przy użyciu ich kodów genetycznych – mówi Aizenberg.

Sandhage ostrzega, że ​​inżynieria okrzemek i układanie ich w użyteczne struktury dla urządzeń elektronicznych nie jest trywialnym wyzwaniem. Aizenberg i Berggren zgadzają się, ale obaj są z rezerwą optymistyczni.

Mogą istnieć granice tego, jak arbitralnie mogą je zaprojektować, mówi Berggren. [Ale] Myślę, że będą w stanie zaprojektować te okrzemki do tworzenia różnych rodzajów struktur.

Tymczasem Sandhage opracował już kilka zastosowań dla swoich nowych struktur, w tym wykorzystanie materiałów katalizujących reakcje chemiczne jako powłoki dla okrzemek. Jak mówi Sandhage, duży stosunek powierzchni do objętości w strukturach opartych na okrzemkach sprawia, że ​​są one idealnymi katalizatorami pływającymi swobodnie w roztworze.

Użył okrzemek pokrytych katalizatorem do niszczenia pestycydów, techniki, która może ostatecznie zostać wykorzystana do zapobiegania spływaniu niebezpiecznych chemikaliów do strumieni i wód gruntowych. Stworzył również struktury fotoluminescencyjne, pokrywając okrzemki materiałami, które świecą pod pewnymi długościami fal światła. Konstrukcje mogłyby pewnego dnia znaleźć zastosowanie w monitorach komputerowych.

ukryć