Zelfmontage

Terwijl onderzoekers apparaten en nieuwe materialen op nanoschaal beginnen te bouwen (een nanometer is een miljardste van een meter, de grootte van een paar atomen), staan ​​ze voor een enorme uitdaging. Hoewel het in veel gevallen mogelijk is om moleculen rond te duwen om kleine structuren en zelfs functionerende apparaten te vormen, is het efficiënt massaal produceren van alles met nanoschaalkenmerken een andere zaak. Maar wat als miljoenen van deze nanobouwstenen het zware werk deden en zichzelf in de gewenste structuren assembleerden - zonder het gebruik van dure en uitgebreide fabricage-instrumenten?

Zelfassemblage is een van de heilige gralen van nanotechnologie geworden en wetenschappers in tal van laboratoria werken eraan om het om te zetten in een effectief hulpmiddel voor nano-engineering. In zekere zin is zelfassemblage niets nieuws: de biologie doet het de hele tijd. En decennia lang hebben wetenschappers supramoleculaire chemie bestudeerd, waarbij ze niet alleen hebben geleerd hoe moleculen aan elkaar binden, maar ook hoe grote aantallen moleculen kunnen samenwerken om structuren te vormen; in feite is het concept van zelfassemblage grotendeels voortgekomen uit pogingen van scheikundigen om moleculen te maken die spontaan aggregeerden tot specifieke configuraties, op dezelfde manier waarop biologische moleculen complexe celmembranen vormen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2001

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Maar nu, met een groeiend begrip van hoe moleculen en kleine deeltjes met elkaar interageren, kunnen onderzoekers beginnen te voorspellen hoe dergelijke elementen zichzelf zouden kunnen assembleren tot grotere, bruikbare structuren zoals de transistors op een halfgeleiderchip. Zelfassemblage biedt een zeer algemene manier om structuren te fabriceren uit componenten die te klein of te talrijk zijn om robotisch te hanteren, zegt George Whitesides, een chemicus aan de Harvard University en pionier in het veld.

Om beter te begrijpen hoe zelfassemblage werkt, hebben Whitesides en zijn collega's onlangs aangetoond dat het selectief coaten van de oppervlakken van microscopisch kleine goudplaten met een kleverige organische film, onder de juiste omstandigheden, duizenden van dergelijke platen kan aanzetten om zichzelf te assembleren tot driedimensionale structuren. Tot nu toe heeft het team van Whitesides een relatief groot functioneel elektronisch circuit gemaakt met behulp van een vergelijkbare techniek. De volgende stap omvat het verkleinen van het circuit tot op micrometerschaal, waardoor complexere driedimensionale structuren uit silicium worden gemaakt. Hoewel elektronische componenten ter grootte van een micrometer niets nieuws zijn - Intel maakt ze de hele tijd - zouden de experimenten van Whitesides waardevolle aanwijzingen kunnen geven over hoe zelfassemblage beter kan worden gemanipuleerd.

De natuur zelf biedt wetenschappers ook een model voor het maken van zelfassemblerende elektronische apparaten. Materiaalwetenschapper Angela Belcher van de Universiteit van Texas in Austin sorteerde miljarden verschillende eiwitten om die te vinden die verschillende soorten anorganische materialen herkennen en eraan binden. Het ene uiteinde van het eiwit kan bijvoorbeeld binden aan een specifiek metaaldeeltje en het andere uiteinde kan aan het oppervlak van een halfgeleider zoals galliumarsenide blijven kleven. Met de juiste aanwijzingen kunnen de eiwitten nanodeeltjes van anorganische materialen aansturen om verschillende structuren te vormen.

Afgelopen lente was Belcher medeoprichter van een bedrijf genaamd Semzyme dat van plan is een bibliotheek van deze eiwit-gemedieerde bouwstenen te creëren. Ze kunnen allerlei technologische toepassingen hebben, bijvoorbeeld bij het maken van biomedische sensoren, magnetische opslagschijven met hoge dichtheid of microprocessors.

Chemici in laboratoria zoals die van Hewlett-Packard, de University of California, Los Angeles, Yale University en Rice University proberen ook zelf-geassembleerde moleculaire computers te ontwikkelen. Als het ze lukt, gaat het jaren duren.

Ondertussen maken andere onderzoekers, minder ambitieus, snelle vorderingen bij het gebruik van zelfassemblage om steeds complexere en steeds kleinere driedimensionale structuren te bouwen die compatibel zouden kunnen zijn met bestaande apparaten. Bepaalde kenmerken van een schijf, zoals het opslagmedium, kunnen bijvoorbeeld worden gemaakt met behulp van zelfassemblage, terwijl grotere componenten die nodig zijn om het apparaat met de buitenwereld te verbinden, met conventionele technieken zouden worden gemaakt. We hopen dat zelfassemblage in staat zal zijn om bepaalde stadia in de productie van materialen en apparaten, waar controle op moleculair niveau nodig is, goedkoop te vervangen, zegt ingenieur Christopher Murray van de nanoschaal-wetenschapsafdeling van IBM Research in Yorktown Heights, NY.

Als hij gelijk heeft, wordt nano-engineering een stuk eenvoudiger.

zich verstoppen