211service.com
De natuur de architect laten zijn
Geïnspireerd door de ingewikkelde schoonheid van de vormen gevormd door micro-organismen - en door het vermogen van die organismen om zich snel te reproduceren - heeft een groep onderzoekers in Georgië mogelijk een efficiënte manier gevonden om onderdelen op nanoschaal te maken voor elektronica van de volgende generatie.
Chemisch ingenieur Kenneth Sandhage van het Georgia Institute of Technology en een team van biologen, genetici en elektronische ingenieurs hebben details gepubliceerd van een nieuw proces voor het omzetten van de fijn gedetailleerde silicaskeletten van diatomeeën, een soort eencellige algen, in synthetische replica's gemaakt van materialen zoals titaniumdioxide, dat elektriciteit geleidt en kan worden gebruikt in elektronische apparaten.
De nieuwe technieken maken gebruik van het eigen vermogen van diatomeeën om zich voort te planten en kunnen worden gebruikt om ingewikkelde driedimensionale structuren in massa te produceren.
Uitstekend werk is de beschrijving die wordt toegepast door Karl Berggren, hoofd van de Quantum Nanostructuren en Nanofabrication Group bij MIT, die niet betrokken was bij het onderzoek. Het is een nieuw concept voor bepaalde grote problemen in nanofabricage.
Sandhage zegt dat hij op het idee kwam nadat hij tijdens een busreis naast een zeebioloog zat. Ze liet hem de uitgebreide, kerstornamentachtige structuren zien die gemaakt zijn door diatomeeën. Sandhage besloot de organismen te laten groeien als sjablonen voor potentiële nanodevices.
Dat deel is eenvoudig, omdat diatomeeën zich voortplanten door celsplitsing, waardoor twee exacte kopieën van hun silica-omhulsels worden gemaakt. Na 40 generaties zal een enkele diatomee zichzelf vermenigvuldigd hebben tot een biljoen exemplaren.
Sandhage gebruikt vervolgens een handvol methoden om de diatomeeënschelpen te coaten met metalen stoffen of ze volledig te vervangen. Hij gebruikt materialen als titaandioxide (ook wel titania genoemd) die beter geleiden en bestand zijn tegen thermische belasting, twee belangrijke eigenschappen van materialen die in de elektronica worden gebruikt.
De resulterende structuren hebben kenmerken gemeten in tientallen nanometers, vergelijkbaar met de kleinste kenmerken van chips die tegenwoordig worden geproduceerd met behulp van conventionele fotolithografische technieken. Het verschil: complexe driedimensionale vormen kunnen veel sneller worden geproduceerd met de aanpak van Sandhage.
Dat is belangrijk omdat driedimensionale chipontwerpen chipmakers zouden kunnen helpen om krachtigere microprocessors te blijven leveren in het tempo dat wordt bepaald door de wet van Moore, die zegt dat het aantal transistors dat op een chip past ongeveer elke twee jaar verdubbelt.
Conventionele fotolithografie kan worden gebruikt om driedimensionale structuren te bouwen door één laag silicium tegelijk toe te voegen en te etsen, maar het is een frustrerend langzaam proces, zegt Berggren.
Verwijzend naar een afbeelding gepubliceerd in Sandhage's artikel - dat verscheen in de Internationaal tijdschrift voor toegepaste keramische technologie – Berggren zegt: Ik weet op geen enkele manier dat we deze structuur zouden kunnen maken zonder de technologieën die ze ontwikkelen.
Het project van Sandhage is niet de eerste keer dat onderzoekers organische sjablonen gebruiken om apparaten en materialen op nanoschaal te produceren. Angela Belcher, een professor aan het MIT's Department of Materials Science and Engineering, heeft virale eiwitten gebruikt om een verscheidenheid aan materialen te assembleren, en een startup genaamd Cambrios streeft naar commerciële toepassingen van haar werk.
Daniel Solis, een afgestudeerde student in het laboratorium van Belcher, werkt aan virussen die zich kunnen hechten aan gouden elektroden en zichzelf kunnen bedekken met halfgeleidermateriaal; uiteindelijk hoopt hij de virussen te gebruiken om werkende transistors te maken.
Diatomeeën zouden sjablonen kunnen bieden voor veel andere soorten structuren, maar welke soorten precies is nog niet duidelijk. Sandhage hoopt dat de honderdduizenden voorbeelden van uniek gevormde diatomeeën in de natuur ingenieurs zullen inspireren om nieuwe ontwerpmogelijkheden voor processors en geheugenchips te overwegen.
De collega's van Sandhage leren al hoe de genen van diatomeeën hun vorm bepalen, in de hoop dat ingenieurs diatomeeën kunnen ontwerpen volgens hun eigen specificaties.
Het genoom van een diatomeeënsoort is volledig in kaart gebracht en een andere is onderweg. Mark Hildebrand, een moleculair bioloog bij de Scripps Institution of Oceanography en partner van Sandhage, is van mening dat de diversiteit van natuurlijke diatomeeënvormen suggereert, hoewel contra-intuïtief, dat er slechts een paar kerngenen zijn die deze vormen beheersen.
Als er maar een paar sleutelgenen zijn, zegt hij, dan zijn er relatief weinig mutaties nodig om de enorme verscheidenheid aan bestaande vormen te veroorzaken. Hildebrand hoopt dat het identificeren van deze genen en het manipuleren van zowel de genen als de omgeving waarin de diatomeeën opgroeien, onderzoekers in staat zal stellen nieuwe structuren te creëren.
Dat is een hoop die wordt gesteund door Joanna Aizenberg van Lucent Technologies, die kleine lenzen heeft gemaakt die zijn geïnspireerd op de structuur van sponzen.
In staat zijn om de genetica te begrijpen - hoe diatomeeën de verscheidenheid van hun vormen produceren - kan ons de manier bieden om niet-natuurlijke vormen te produceren met behulp van hun genetische codes, zegt Aizenberg.
Sandhage waarschuwt dat het ontwerpen van de diatomeeën en het rangschikken ervan in bruikbare structuren voor elektronische apparaten geen triviale uitdaging is. Aizenberg en Berggren zeggen dat ze het daarmee eens zijn, maar beide zijn gereserveerd optimistisch.
Er kunnen grenzen zijn aan hoe willekeurig ze ze kunnen ontwerpen, zegt Berggren. [Maar] ik denk dat ze in staat zullen zijn om deze diatomeeën te engineeren om verschillende soorten structuren te maken.
Ondertussen heeft Sandhage al een aantal toepassingen voor zijn nieuwe structuren ontwikkeld, waaronder het gebruik van materialen die chemische reacties katalyseren als coating voor diatomeeën. De grote verhouding van oppervlakte tot volume in structuren op basis van diatomeeën maakt ze tot ideale katalysatoren als ze vrij in een oplossing drijven, zegt Sandhage.
Hij heeft met katalysator beklede diatomeeën gebruikt om pesticiden te vernietigen, een techniek die uiteindelijk zou kunnen worden gebruikt om te voorkomen dat gevaarlijke chemicaliën in stromen en grondwater terechtkomen. Hij heeft ook fotoluminescerende structuren gemaakt door diatomeeën te coaten met materialen die gloeien onder bepaalde golflengten van licht. De structuren zouden ooit in computerschermen kunnen worden gebruikt.