Nechat přírodu být architektem

Inspirována složitou krásou tvarů tvořených mikroorganismy – a schopností těchto organismů rychle se reprodukovat – skupina výzkumníků se sídlem v Gruzii mohla najít účinný způsob, jak vytvořit díly v nanoměřítku pro elektroniku nové generace.

Chemický inženýr Kenneth Sandhage z Georgia Institute of Technology a tým biologů, genetiků a elektronických inženýrů zveřejnili podrobnosti o novém procesu přeměny jemně detailních křemenných koster rozsivek, což je typ jednobuněčných řas, na syntetické repliky. vyrobené z materiálů, jako je oxid titaničitý, který vede elektřinu a mohl by být použit v elektronických zařízeních.

Nové techniky využívají vlastní schopnost rozsivky reprodukovat se a lze je použít k hromadné výrobě složitých trojrozměrných struktur.

Vynikající prací je popis aplikovaný Karlem Berggrenem, vedoucím hl Skupina kvantových nanostruktur a nanovýroby na MIT, který se na výzkumu nepodílel. Je to nový koncept pro určité velké problémy v nanovýrobě.

Sandhage říká, že dostal nápad poté, co seděl vedle mořského biologa na výletě autobusem. Ukázala mu propracované struktury podobné vánočním ozdobám vytvořené rozsivou. Sandhage se rozhodl zkusit pěstovat organismy jako šablony pro potenciální nanozařízení.

Tato část je snadná, protože rozsivky se rozmnožují buněčným štěpením a vytvářejí dvě přesné kopie jejich křemičitých schránek. Po 40 generacích se jediná rozsivka rozmnoží na bilion kopií.

Sandhage pak používá několik metod, jak obaly rozsivek potáhnout kovovými látkami nebo je zcela nahradit. Používá materiály, jako je oxid titaničitý (také známý jako titanium), které jsou lepšími vodiči a odolávají tepelnému namáhání, což jsou dvě důležité vlastnosti materiálů používaných v elektronice.

Výsledné struktury mají vlastnosti měřené v desítkách nanometrů, srovnatelné s nejmenšími vlastnostmi čipů vyráběných dnes konvenčními fotolitografickými technikami. Rozdíl: složité trojrozměrné tvary lze pomocí přístupu Sandhage vyrábět mnohem rychleji.

To je důležité, protože trojrozměrné návrhy čipů by mohly pomoci výrobcům čipů dodávat výkonnější mikroprocesory tempem stanoveným Moorovým zákonem, který říká, že počet tranzistorů, které se vejdou na čip, se zhruba každé dva roky zdvojnásobí.

Konvenční fotolitografii lze použít k vytvoření trojrozměrných struktur přidáváním a leptáním jedné vrstvy křemíku najednou, ale je to frustrující pomalý proces, říká Berggren.

Ukázal na obrázek publikovaný v Sandhageově článku – který se objevil v International Journal of Applied Ceramic Technology – Berggren říká: „Nevím o tom, že bychom mohli vytvořit tuto strukturu bez technologií, které vyvíjejí.

Projekt Sandhage není prvním případem, kdy vědci použili organické šablony k výrobě zařízení a materiálů v nanoměřítku. Angela Belcherová, profesorka na katedře materiálové vědy a inženýrství MIT, použila virové proteiny k sestavení různých materiálů a startup s názvem Cambrios se věnuje komerčním aplikacím své práce.

Daniel Solis, postgraduální student v Belcherově laboratoři, pracuje na virech, které se mohou připojit ke zlatým elektrodám a obalit se polovodičovým materiálem; nakonec doufá, že použije viry k výrobě funkčních tranzistorů.

Rozsivky by mohly poskytnout šablony pro mnoho dalších typů struktur – ale přesně jaké typy ještě nejsou jasné. Sandhage doufá, že statisíce příkladů jedinečně tvarovaných rozsivek v přírodě inspirují inženýry, aby zvážili nové možnosti návrhu procesorů a paměťových čipů.

Kolegové Sandhage se již učí o tom, jak geny rozsivek určují jejich tvar, s nadějí, že umožní inženýrům navrhnout rozsivky podle jejich vlastních specifikací.

Genom jednoho druhu rozsivky byl kompletně sekvenován a další je na cestě. Mark Hildebrand, molekulární biolog ze Scripps Institution of Oceanography a partner společnosti Sandhage, věří, že rozmanitost přirozených tvarů rozsivek naznačuje, i když neintuitivně, že existuje jen několik základních genů, které tyto tvary řídí.

Pokud existuje pouze několik klíčových genů, říká, pak by bylo zapotřebí relativně málo mutací, aby způsobily obrovskou rozmanitost existujících tvarů. Hildebrand doufá, že identifikace těchto genů a manipulace jak s geny, tak s prostředím, ve kterém rozsivky vyrůstají, umožní výzkumníkům vytvořit nové struktury.

To je naděje, jíž sekunduje Joanna Aizenberg z Lucent Technologies, která vyrobila drobné čočky inspirované strukturou houby.

Schopnost porozumět genetice – jak rozsivky produkují různé formy – nám může poskytnout způsob, jak produkovat nepřirozené formy pomocí jejich genetických kódů, říká Aizenberg.

Sandhage varuje, že inženýrství rozsivek a jejich uspořádání do užitečných struktur pro elektronická zařízení není triviální výzvou. Aizenberg a Berggren říkají, že souhlasí – ale oba jsou rezervovaně optimističtí.

Mohou existovat hranice toho, jak libovolně je mohou zkonstruovat, říká Berggren. [Ale] Myslím, že budou schopni zkonstruovat tyto rozsivky, aby vytvořily různé druhy struktur.

Mezitím Sandhage již vyvinul několik použití pro své nové struktury, včetně použití materiálů, které katalyzují chemické reakce jako povlaku pro rozsivky. Velký poměr povrchové plochy k objemu ve strukturách na bázi rozsivek z nich dělá ideální katalyzátory, když se volně vznášejí v roztoku, říká Sandhage.

K ničení pesticidů použil rozsivky potažené katalyzátorem, což je technika, která by mohla být nakonec použita k zabránění úniku nebezpečných chemikálií do potoků a podzemních vod. Vytvořil také fotoluminiscenční struktury potažením rozsivek materiály, které září při určitých vlnových délkách světla. Struktury by jednou mohly být použity v počítačových displejích.

skrýt