Självmontering

När forskare börjar försöka bygga enheter och nya material i nanoskala (en nanometer är en miljarddels meter, storleken på några atomer), står de inför en enorm utmaning. Även om det i många fall har visat sig möjligt att skjuta runt molekyler för att bilda små strukturer och till och med fungerande enheter, är det en helt annan sak att effektivt massproducera allt med nanoskala. Men tänk om miljontals av dessa nanobyggstenar gjorde det tunga lyftet och satte ihop sig till de önskade strukturerna – och undviker användningen av dyra och komplicerade tillverkningsinstrument?

Självmontering har blivit en av nanoteknikens heliga graler, och forskare i många laboratorier arbetar för att omvandla den till ett effektivt nanoteknikverktyg. I någon mening är självmontering inget nytt: biologin gör det hela tiden. Och i decennier har forskare studerat supramolekylär kemi och lärt sig inte bara hur molekyler binder till varandra utan hur ett stort antal molekyler kan slå sig samman för att bilda strukturer; i själva verket växte begreppet självmontering till stor del ur kemisters försök att göra molekyler som aggregerade spontant till specifika konfigurationer, på samma sätt som biologiska molekyler bildar komplexa cellmembran.

Den här historien var en del av vårt novembernummer 2001

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Men nu, med en växande förståelse för hur molekyler och små partiklar interagerar med varandra, kan forskare börja förutsäga hur sådana element kan självmontera till större, användbara strukturer som transistorerna på ett halvledarchip. Självmontering ger en mycket allmän väg för att tillverka strukturer från komponenter som är för små eller för många för att kunna hanteras robotiskt, säger George Whitesides, kemist vid Harvard University och pionjär inom området.

För att bättre förstå hur självmontering fungerar har Whitesides och hans medarbetare nyligen visat att selektiv beläggning av ytorna på mikroskopiska guldplåtar med en klibbig organisk film kan, under rätt förhållanden, få tusentals sådana plattor att självmontera till tredimensionella strukturer. Hittills har Whitesides team skapat en relativt stor funktionell elektronisk krets med en liknande teknik. Nästa steg kommer att innebära att krympa kretsen till mikrometerskalan, vilket skapar mer komplexa tredimensionella strukturer av kisel. Även om elektroniska komponenter i mikrometerstorlek inte är något nytt - Intel gör dem hela tiden - Whitesides experiment kan ge värdefulla ledtrådar om hur man bättre kan manipulera självmontering.

Naturen själv förser också forskare med en modell för hur man skapar självmonterande elektroniska enheter. Materialforskaren Angela Belcher vid University of Texas i Austin sorterade igenom miljarder olika proteiner för att hitta sådana som känner igen och binder till olika typer av oorganiska material. Till exempel kan en ände av proteinet binda till en specifik metallpartikel och den andra änden kan fastna på ytan av en halvledare som galliumarsenid. Med de rätta uppmaningarna kunde proteinerna styra partiklar av oorganiskt material i nanostorlek för att bilda olika strukturer.

I våras var Belcher med och grundade ett företag som heter Semzyme som planerar att skapa ett bibliotek av dessa proteinmedierade byggstenar. De kan ha hur många tekniska tillämpningar som helst, för att göra sådana saker som biomedicinska sensorer, magnetiska lagringsskivor med hög densitet eller mikroprocessorer.

Kemister vid labb som Hewlett-Packard, University of California, Los Angeles, Yale University och Rice University försöker också utveckla självmonterade molekylära datorer. Om de lyckas kommer det dock att ta år.

Samtidigt, mindre ambitiöst, gör andra forskare snabba framsteg med att använda självmontering för att bygga allt mer komplexa och allt mindre tredimensionella strukturer som kan vara kompatibla med befintliga enheter. Till exempel kan vissa funktioner hos en diskenhet, som lagringsmediet, skapas med självmontering, medan större komponenter som behövs för att ansluta enheten till omvärlden skulle göras med konventionella tekniker. Vi hoppas att självmontering på ett billigt sätt kommer att kunna ersätta vissa steg i produktionen av material och enheter, där kontroll behövs på molekylär nivå, säger ingenjör Christopher Murray på nanoscale-science divisionen av IBM Research i Yorktown Heights, NY.

Om han har rätt kommer nanoteknik att bli mycket lättare.

Dölj