Låt naturen vara arkitekten

Inspirerad av den invecklade skönheten i formerna som bildas av mikroorganismer – och av dessa organismers förmåga att reproducera sig snabbt – kan en grupp forskare centrerad i Georgia ha hittat ett effektivt sätt att skapa delar i nanoskala för nästa generations elektronik.

Kemiingenjör Kenneth Sandhage från Georgia Institute of Technology och ett team av biologer, genetiker och elektronikingenjörer har publicerat detaljer om en ny process för att omvandla de findetaljerade kiseldioxidskeletten av kiselalger, en typ av encelliga alger, till syntetiska repliker tillverkade av material som titandioxid, som leder elektricitet och kan användas i elektroniska apparater.

De nya teknikerna utnyttjar kiselalgens egen förmåga att reproducera sig och kan användas för att massproducera invecklade tredimensionella strukturer.

Utmärkt arbete är beskrivningen tillämpad av Karl Berggren, chef för Quantum Nanostructures and Nanofabrication Group vid MIT, som inte var involverad i forskningen. Det är ett nytt koncept för vissa stora problem inom nanotillverkning.

Sandhage säger att han fick idén efter att ha suttit bredvid en marinbiolog på en bussresa. Hon visade honom de utarbetade, julprydnadsliknande strukturerna gjorda av kiselalger. Sandhage bestämde sig för att försöka odla organismerna som mallar för potentiella nanoenheter.

Den delen är lätt, eftersom kiselalger reproducerar sig genom cellklyvning och skapar två exakta kopior av deras kiseldioxidskal. Efter 40 generationer kommer en enda kiselalg att ha förökat sig till en biljon kopior.

Sandhage använder sedan en handfull metoder för att antingen belägga kiselalgerskalen med metalliska ämnen eller helt ersätta dem. Han använder material som titandioxid (även känd som titandioxid) som är bättre ledare och tål termisk stress, två viktiga egenskaper hos material som ska användas inom elektronik.

De resulterande strukturerna har egenskaper som mäts i tiotals nanometer, jämförbara med de minsta egenskaperna hos chips som tillverkas idag med hjälp av konventionella fotolitografiska tekniker. Skillnaden: komplexa tredimensionella former kan produceras mycket snabbare med Sandhages tillvägagångssätt.

Det är viktigt eftersom tredimensionella chipdesigner kan hjälpa chiptillverkare att fortsätta leverera mer kraftfulla mikroprocessorer i den takt som sätts av Moores lag, som säger att antalet transistorer som får plats på ett chip fördubblas ungefär vartannat år.

Konventionell fotolitografi kan användas för att bygga tredimensionella strukturer genom att lägga till och etsa ett lager kisel åt gången, men det är en frustrerande långsam process, säger Berggren.

Pekar på en bild publicerad i Sandhages artikel – som dök upp i International Journal of Applied Ceramic Technology – Berggren säger, Det finns inget sätt jag vet om att vi skulle kunna göra den här strukturen utan de teknologier som de utvecklar.

Sandhages projekt är inte första gången som forskare har använt organiska mallar för att producera enheter och material i nanoskala. Angela Belcher, professor vid MIT:s institution för materialvetenskap och teknik, har använt virala proteiner för att sätta ihop en mängd olika material, och en startup som heter Cambrios strävar efter kommersiella tillämpningar av hennes arbete.

Daniel Solis, en doktorand i Belchers labb, arbetar med virus som kan fästa sig på guldelektroder och belägga sig själva med halvledarmaterial; så småningom hoppas han kunna använda virusen för att göra fungerande transistorer.

Kiselalger skulle kunna tillhandahålla mallar för många andra typer av strukturer – men exakt vilka typer är ännu inte klart. Sandhage hoppas att de hundratusentals exemplen på unikt formade kiselalger i naturen ska inspirera ingenjörer att överväga nya designmöjligheter för processorer och minneschips.

Sandhages kollegor lär sig redan om hur kiselalger gener bestämmer deras form, med hopp om att tillåta ingenjörer att designa kiselalger efter sina egna specifikationer.

Genomet för en kiselalgerart har sekvenserats fullständigt, och en annan är på väg. Mark Hildebrand, en molekylärbiolog vid Scripps Institution of Oceanography och partner med Sandhage, menar att mångfalden av naturliga kiselalger antyder, om än kontraintuitivt, att det bara finns ett fåtal kärngener som styr dessa former.

Om det bara finns ett fåtal nyckelgener, säger han, skulle relativt få mutationer krävas för att orsaka den enorma variationen av befintliga former. Hildebrand hoppas att identifiering av dessa gener och manipulering av både generna och miljöerna där kiselalger växer upp kommer att tillåta forskare att skapa nya strukturer.

Det är ett hopp från Lucent Technologies Joanna Aizenberg, som har producerat små linser inspirerade av svamparnas struktur.

Att kunna förstå genetiken – hur kiselalger producerar olika former – kan ge oss möjligheten att producera icke-naturliga former med hjälp av deras genetiska koder, säger Aizenberg.

Sandhage varnar för att det inte är en trivial utmaning att konstruera kiselalger och arrangera dem i användbara strukturer för elektroniska enheter. Aizenberg och Berggren säger att de håller med – men båda är reserverade optimistiska.

Det kan finnas gränser för hur godtyckligt de kan konstruera dem, säger Berggren. [Men] jag tror att de kommer att kunna konstruera dessa kiselalger för att göra olika typer av strukturer.

Samtidigt har Sandhage redan utvecklat ett par användningsområden för sina nya strukturer, inklusive att använda material som katalyserar kemiska reaktioner som beläggning för kiselalger. Det stora förhållandet mellan ytarea och volym i strukturer baserade på kiselalger gör dem till idealiska katalysatorer när de flyter fritt i en lösning, säger Sandhage.

Han har använt katalysatorbelagda kiselalger för att förstöra bekämpningsmedel, en teknik som så småningom kan användas för att förhindra avrinning av farliga kemikalier till vattendrag och grundvatten. Han har också gjort foto-luminescerande strukturer genom att belägga kiselalger med material som lyser under vissa våglängder av ljus. Strukturerna skulle en dag kunna användas i datorskärmar.

Dölj