At lade naturen være arkitekten

Inspireret af den indviklede skønhed i de former, der dannes af mikroorganismer - og af disse organismers evne til at reproducere hurtigt - kan en gruppe forskere centreret i Georgia have fundet en effektiv måde at skabe dele i nanoskala til næste generations elektronik.

Kemiingeniør Kenneth Sandhage fra Georgia Institute of Technology og et hold af biologer, genetikere og elektroniske ingeniører har offentliggjort detaljer om en ny proces til at omdanne de fint detaljerede silicaskeletter af kiselalger, en type encellede alger, til syntetiske replikaer. lavet af materialer som titaniumdioxid, som leder elektricitet og kan bruges i elektroniske enheder.

De nye teknikker udnytter kiselalgens egen evne til at reproducere, og kan bruges til at masseproducere indviklede tredimensionelle strukturer.

Fremragende arbejde er beskrivelsen anvendt af Karl Berggren, leder af Quantum Nanostructures and Nanofabrication Group på MIT, som ikke var involveret i forskningen. Det er et nyt koncept for visse store problemer inden for nanofabrikation.

Sandhage fortæller, at han fik ideen efter at have siddet ved siden af ​​en havbiolog på en bustur. Hun viste ham de kunstfærdige, julepyntlignende strukturer lavet af kiselalger. Sandhage besluttede at prøve at dyrke organismerne som skabeloner for potentielle nanoenheder.

Den del er let, da kiselalger formerer sig gennem cellefission og skaber to nøjagtige kopier af deres silicaskaller. Efter 40 generationer vil en enkelt kiselalger have formeret sig til en billion kopier.

Sandhage bruger derefter en håndfuld metoder til enten at belægge kiselalgerskallerne med metalliske stoffer eller helt erstatte dem. Han bruger materialer som titaniumdioxid (også kendt som titanium), der er bedre ledere og kan modstå termisk stress, to vigtige egenskaber ved materialer, der skal bruges i elektronik.

De resulterende strukturer har egenskaber målt i snesevis af nanometer, der kan sammenlignes med de mindste egenskaber af chips fremstillet i dag ved hjælp af konventionelle fotolitografiske teknikker. Forskellen: komplekse tredimensionelle former kan fremstilles meget hurtigere ved hjælp af Sandhages tilgang.

Det er vigtigt, fordi tredimensionelle chipdesign kan hjælpe chipproducenter med at blive ved med at levere mere kraftfulde mikroprocessorer i det tempo, der er fastsat af Moores lov, som siger, at antallet af transistorer, der kan passe på en chip, fordobles omtrent hvert andet år.

Konventionel fotolitografi kan bruges til at bygge tredimensionelle strukturer ved at tilføje og ætse et lag silicium ad gangen, men det er en frustrerende langsom proces, siger Berggren.

Peger på et billede offentliggjort i Sandhages artikel - som dukkede op i International Journal of Applied Ceramic Technology - Berggren siger: Jeg ved på ingen måde, at vi kunne lave denne struktur uden de teknologier, de er ved at udvikle.

Sandhages projekt er ikke første gang, forskere har brugt organiske skabeloner til at producere enheder og materialer i nanoskala. Angela Belcher, professor i MIT's afdeling for materialevidenskab og teknik, har brugt virale proteiner til at samle en række materialer, og en startup kaldet Cambrios forfølger kommercielle anvendelser af hendes arbejde.

Daniel Solis, en kandidatstuderende i Belchers laboratorium, arbejder på vira, der kan binde sig til guldelektroder og belægge sig selv med halvledermateriale; til sidst håber han at bruge vira til at lave fungerende transistorer.

Kiselalger kunne give skabeloner til mange andre typer strukturer - men præcis hvilke typer er endnu ikke klart. Sandhage håber, at de hundredtusindvis af eksempler på unikt formede kiselalger i naturen vil inspirere ingeniører til at overveje nye designmuligheder for processorer og hukommelseschips.

Sandhages kolleger er allerede ved at lære om, hvordan kiselalgers gener bestemmer deres form, med håbet om at give ingeniører mulighed for at designe kiselalger efter deres egne specifikationer.

Genomet af en kiselalgerart er blevet fuldstændig sekventeret, og en anden er på vej. Mark Hildebrand, en molekylærbiolog ved Scripps Institution of Oceanography og partnere med Sandhage, mener, at mangfoldigheden af ​​naturlige kiselalgerformer antyder, om end kontraintuitivt, at der kun er nogle få kernegener, der styrer disse former.

Hvis der kun er nogle få nøglegener, siger han, så ville der kræves relativt få mutationer for at forårsage det store udvalg af eksisterende former. Hildebrand håber, at identifikation af disse gener og manipulation af både generne og de miljøer, hvori kiselalger vokser op, vil give forskere mulighed for at skabe nye strukturer.

Det er et håb videregivet af Lucent Technologies' Joanna Aizenberg, som har produceret bittesmå linser inspireret af svampenes struktur.

At være i stand til at forstå genetikken - hvordan kiselalger producerer de mange forskellige former - kan give os mulighed for at producere ikke-naturlige former ved hjælp af deres genetiske koder, siger Aizenberg.

Sandhage advarer om, at det ikke er en triviel udfordring at konstruere kiselalgene og arrangere dem i nyttige strukturer til elektroniske enheder. Aizenberg og Berggren siger, at de er enige - men begge er forbeholdne optimister.

Der kan være grænser for, hvor vilkårligt de kan konstruere dem, siger Berggren. [Men] jeg tror, ​​de vil være i stand til at konstruere disse kiselalger til at lave forskellige slags strukturer.

I mellemtiden har Sandhage allerede udviklet et par anvendelsesmuligheder for sine nye strukturer, herunder at bruge materialer, der katalyserer kemiske reaktioner, som belægning for kiselalger. Det store forhold mellem overfladeareal og volumen i strukturer baseret på kiselalger gør dem til ideelle katalysatorer, når de flyder frit i en opløsning, siger Sandhage.

Han har brugt katalysatorbelagte kiselalger til at ødelægge pesticider, en teknik, der i sidste ende kan bruges til at forhindre afstrømning af farlige kemikalier til vandløb og grundvand. Han har også lavet foto-luminescerende strukturer ved at belægge kiselalger med materialer, der lyser under bestemte bølgelængder af lys. Strukturerne kunne en dag bruges i computerskærme.

skjule