Autoassemblaggio

Quando i ricercatori iniziano a provare a costruire dispositivi e nuovi materiali su scala nanometrica (un nanometro è un miliardesimo di metro, la dimensione di pochi atomi), stanno affrontando una sfida enorme. Mentre si sta dimostrando possibile, in molti casi, spingere le molecole in giro per formare strutture minuscole e persino dispositivi funzionanti, produrre in serie in modo efficiente qualsiasi cosa con caratteristiche su scala nanometrica è tutta un'altra questione. Ma cosa accadrebbe se milioni di questi nanomattoni facessero il lavoro pesante e si assemblassero nelle strutture desiderate, evitando l'uso di strumenti di produzione costosi ed elaborati?

L'autoassemblaggio è diventato uno dei santi graal della nanotecnologia e gli scienziati di numerosi laboratori stanno lavorando per trasformarlo in un efficace strumento di nanoingegneria. In un certo senso l'autoassemblaggio non è una novità: la biologia lo fa sempre. E per decenni, gli scienziati hanno studiato la chimica supramolecolare, imparando non solo come le molecole si legano tra loro, ma anche come un gran numero di molecole può unirsi per formare strutture; infatti, il concetto di autoassemblaggio è in gran parte nato dai tentativi dei chimici di creare molecole che si aggregassero spontaneamente in configurazioni specifiche, allo stesso modo in cui le molecole biologiche formano membrane cellulari complesse.

Questa storia faceva parte del nostro numero di novembre 2001

• Vedi il resto del problema
• sottoscrivi

Ma ora, con una comprensione sempre più ampia di come le molecole e le piccole particelle interagiscono tra loro, i ricercatori possono iniziare a prevedere come tali elementi potrebbero autoassemblarsi in strutture più grandi e utili come i transistor su un chip a semiconduttore. L'autoassemblaggio fornisce un percorso molto generale per fabbricare strutture da componenti troppo piccoli o troppo numerosi per essere gestiti da robot, afferma George Whitesides, un chimico dell'Università di Harvard e pioniere nel campo.

Per capire meglio come funziona l'autoassemblaggio, Whitesides e i suoi collaboratori hanno recentemente dimostrato che il rivestimento selettivo delle superfici di microscopiche lastre d'oro con una pellicola organica appiccicosa può, nelle condizioni appropriate, far sì che migliaia di tali lastre si autoassemblano in tridimensionali strutture. Finora, il team di Whitesides ha creato un circuito elettronico funzionale relativamente grande utilizzando una tecnica simile. Il prossimo passo comporterà la riduzione del circuito alla scala micrometrica, creando strutture tridimensionali più complesse in silicio. Sebbene i componenti elettronici di dimensioni micrometriche non siano una novità - Intel li rende sempre disponibili - gli esperimenti di Whitesides potrebbero fornire preziosi indizi su come manipolare meglio l'autoassemblaggio.

La stessa natura sta anche fornendo agli scienziati un modello su come creare dispositivi elettronici autoassemblanti. La scienziata dei materiali Angela Belcher dell'Università del Texas ad Austin ha selezionato miliardi di proteine ​​diverse per trovarne quelle che riconoscono e si legano a diversi tipi di materiali inorganici. Ad esempio, un'estremità della proteina potrebbe legarsi a una particella metallica specifica e l'altra estremità potrebbe aderire alla superficie di un semiconduttore come l'arseniuro di gallio. Dati i giusti suggerimenti, le proteine ​​potrebbero dirigere particelle di dimensioni nanometriche di materiali inorganici per formare varie strutture.

La scorsa primavera, Belcher ha co-fondato una società chiamata Semzyme che prevede di creare una libreria di questi elementi costitutivi mediati da proteine. Potrebbero avere un numero qualsiasi di applicazioni tecnologiche, nella realizzazione di cose come sensori biomedici, dischi di memorizzazione magnetici ad alta densità o microprocessori.

Anche i chimici di laboratori come quelli della Hewlett-Packard, dell'Università della California, di Los Angeles, della Yale University e della Rice University stanno tentando di sviluppare computer molecolari autoassemblati. Se ci riusciranno, però, ci vorranno anni.

Nel frattempo, in modo meno ambizioso, altri ricercatori stanno facendo rapidi progressi nell'uso dell'autoassemblaggio per costruire strutture tridimensionali sempre più complesse e sempre più piccole che potrebbero essere compatibili con i dispositivi esistenti. Ad esempio, alcune funzionalità di un'unità disco, come il supporto di memorizzazione, potrebbero essere create utilizzando l'autoassemblaggio, mentre i componenti più grandi necessari per collegare il dispositivo al mondo esterno sarebbero realizzati utilizzando tecniche convenzionali. Ci auguriamo che l'autoassemblaggio sia in grado di sostituire in modo economico alcune fasi della produzione di materiali e dispositivi, in cui è necessario il controllo a livello molecolare, afferma l'ingegnere Christopher Murray della divisione di nanoscienza di IBM Research a Yorktown Heights, NY.

Se ha ragione, la nanoingegneria diventerà molto più semplice.

nascondere