Lascia che la natura sia l'architetto

Ispirato dall'intricata bellezza delle forme formate dai microrganismi – e dalla capacità di quegli organismi di riprodursi rapidamente – un gruppo di ricercatori con sede in Georgia potrebbe aver trovato un modo efficiente per creare parti su scala nanometrica per l'elettronica di prossima generazione.

L'ingegnere chimico Kenneth Sandhage del Georgia Institute of Technology e un team di biologi, genetisti e ingegneri elettronici hanno pubblicato i dettagli di un nuovo processo per convertire gli scheletri di silice finemente dettagliati delle diatomee, un tipo di alghe unicellulari, in repliche sintetiche fatto di materiali come il biossido di titanio, che conduce elettricità e potrebbe essere utilizzato nei dispositivi elettronici.

Le nuove tecniche sfruttano la capacità di riproduzione della diatomea e possono essere utilizzate per produrre in serie complesse strutture tridimensionali.

Ottimo lavoro è la descrizione applicata da Karl Berggren, capo del Nanostrutture quantistiche e gruppo di nanofabbricazione al MIT, che non era coinvolto nella ricerca. È un nuovo concetto per alcuni grandi problemi nella nanofabbricazione.

Sandhage dice di aver avuto l'idea dopo essersi seduto accanto a un biologo marino durante un viaggio in autobus. Gli mostrò le elaborate strutture simili a ornamenti natalizi realizzate dalle diatomee. Sandhage ha deciso di provare a far crescere gli organismi come modelli per potenziali nanodispositivi.

Quella parte è facile, poiché le diatomee si riproducono attraverso la fissione cellulare, creando due copie esatte dei loro gusci di silice. Dopo 40 generazioni, una singola diatomea si sarà moltiplicata in un trilione di copie.

Sandhage utilizza quindi una manciata di metodi per rivestire i gusci di diatomee con sostanze metalliche o per sostituirli completamente. Usa materiali come il biossido di titanio (noto anche come titania) che sono migliori conduttori e possono resistere alle sollecitazioni termiche, due caratteristiche importanti dei materiali da utilizzare in elettronica.

Le strutture risultanti hanno caratteristiche misurate in decine di nanometri, paragonabili alle più piccole caratteristiche dei chip prodotti oggi utilizzando tecniche fotolitografiche convenzionali. La differenza: forme tridimensionali complesse possono essere prodotte molto più rapidamente utilizzando l'approccio di Sandhage.

Questo è importante perché i progetti di chip tridimensionali potrebbero aiutare i produttori di chip a continuare a fornire microprocessori più potenti al ritmo stabilito dalla legge di Moore, che afferma che il numero di transistor che possono adattarsi a un chip raddoppia all'incirca ogni due anni.

La fotolitografia convenzionale può essere utilizzata per costruire strutture tridimensionali aggiungendo e incidendo uno strato di silicio alla volta, ma è un processo frustrantemente lento, afferma Berggren.

Indicando un'immagine pubblicata nell'articolo di Sandhage - apparso sul Rivista internazionale di tecnologia ceramica applicata – Dice Berggren, Non c'è modo che io sappia che potremmo realizzare questa struttura senza le tecnologie che stanno sviluppando.

Il progetto di Sandhage non è la prima volta che i ricercatori hanno utilizzato modelli organici per produrre dispositivi e materiali su nanoscala. Angela Belcher, professoressa presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT, ha utilizzato proteine ​​virali per assemblare una varietà di materiali e una startup chiamata Cambrios sta perseguendo applicazioni commerciali del suo lavoro.

Daniel Solis, uno studente laureato nel laboratorio di Belcher, sta lavorando su virus che possono attaccarsi agli elettrodi d'oro e rivestirsi di materiale semiconduttore; alla fine spera di usare i virus per creare transistor funzionanti.

Le diatomee potrebbero fornire modelli per molti altri tipi di strutture, ma esattamente quali tipi non sono ancora chiari. Sandhage spera che le centinaia di migliaia di esempi di diatomee dalla forma unica in natura ispireranno gli ingegneri a considerare nuove possibilità di progettazione per processori e chip di memoria.

I colleghi di Sandhage stanno già imparando come i geni delle diatomee determinano la loro forma, con la speranza di consentire agli ingegneri di progettare le diatomee secondo le proprie specifiche.

Il genoma di una specie di diatomee è stato completamente sequenziato e un'altra è in arrivo. Mark Hildebrand, biologo molecolare presso la Scripps Institution of Oceanography e partner di Sandhage, ritiene che la diversità delle forme naturali delle diatomee suggerisca, sebbene in modo controintuitivo, che ci siano solo pochi geni fondamentali che controllano queste forme.

Se ci sono solo pochi geni chiave, dice, sarebbero necessarie relativamente poche mutazioni per causare l'enorme varietà di forme esistenti. Hildebrand spera che l'identificazione di questi geni e la manipolazione sia dei geni che degli ambienti in cui crescono le diatomee consentirà ai ricercatori di creare nuove strutture.

Questa è una speranza sostenuta da Joanna Aizenberg di Lucent Technologies, che ha prodotto minuscole lenti ispirate alla struttura delle spugne.

Essere in grado di comprendere la genetica - come le diatomee producono la varietà delle loro forme - può darci il modo di produrre forme non naturali usando i loro codici genetici, dice Aizenberg.

Sandhage avverte che progettare le diatomee e disporle in strutture utili per i dispositivi elettronici non è una sfida banale. Aizenberg e Berggren dicono di essere d'accordo, ma entrambi sono discretamente ottimisti.

Potrebbero esserci dei limiti a quanto arbitrariamente possono ingegnerizzarli, afferma Berggren. [Ma] penso che saranno in grado di progettare queste diatomee per creare diversi tipi di strutture.

Nel frattempo, Sandhage ha già sviluppato un paio di usi per le sue nuove strutture, incluso l'uso di materiali che catalizzano reazioni chimiche come rivestimento per le diatomee. L'ampio rapporto tra superficie e volume nelle strutture a base di diatomee le rende dei catalizzatori ideali quando galleggiano libere in una soluzione, afferma Sandhage.

Ha usato diatomee rivestite di catalizzatore per distruggere i pesticidi, una tecnica che potrebbe essere utilizzata per prevenire il deflusso di sostanze chimiche pericolose nei corsi d'acqua e nelle acque sotterranee. Ha anche realizzato strutture fotoluminescenti rivestendo diatomee con materiali che brillano sotto determinate lunghezze d'onda della luce. Le strutture potrebbero un giorno essere utilizzate nei display dei computer.

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