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Dejar que la naturaleza sea la arquitecta
Inspirado por la intrincada belleza de las formas formadas por microorganismos, y por la capacidad de esos organismos para reproducirse rápidamente, un grupo de investigadores con sede en Georgia puede haber encontrado una forma eficiente de crear piezas a nanoescala para la electrónica de próxima generación.
El ingeniero químico Kenneth Sandhage del Instituto de Tecnología de Georgia y un equipo de biólogos, genetistas e ingenieros electrónicos han publicado detalles de un nuevo proceso para convertir los esqueletos de sílice finamente detallados de diatomeas, un tipo de alga unicelular, en réplicas sintéticas. hecho de materiales como el dióxido de titanio, que conduce la electricidad y podría usarse en dispositivos electrónicos.
Las nuevas técnicas aprovechan la propia capacidad de reproducción de las diatomeas y pueden utilizarse para producir en masa estructuras tridimensionales intrincadas.
Excelente trabajo es la descripción aplicada por Karl Berggren, director del Grupo de nanoestructuras cuánticas y nanofabricación en el MIT, que no participó en la investigación. Es un nuevo concepto para ciertos grandes problemas de la nanofabricación.
Sandhage dice que tuvo la idea después de sentarse junto a un biólogo marino en un viaje en autobús. Ella le mostró las elaboradas estructuras navideñas hechas por diatomeas. Sandhage decidió intentar hacer crecer los organismos como plantillas para posibles nanodispositivos.
Esa parte es fácil, ya que las diatomeas se reproducen a través de la fisión celular, creando dos copias exactas de sus capas de sílice. Después de 40 generaciones, una sola diatomea se habrá multiplicado en un billón de copias.
Sandhage luego usa varios métodos para cubrir las conchas de diatomeas con sustancias metálicas o reemplazarlas por completo. Utiliza materiales como el dióxido de titanio (también conocido como titania) que son mejores conductores y pueden soportar el estrés térmico, dos características importantes de los materiales que se utilizarán en electrónica.
Las estructuras resultantes tienen características medidas en decenas de nanómetros, comparables a las características más pequeñas de los chips producidos hoy utilizando técnicas fotolitográficas convencionales. La diferencia: las formas tridimensionales complejas se pueden producir mucho más rápidamente utilizando el enfoque de Sandhage.
Eso es importante porque los diseños de chips tridimensionales podrían ayudar a los fabricantes de chips a seguir entregando microprocesadores más potentes al ritmo establecido por la Ley de Moore, que dice que la cantidad de transistores que pueden caber en un chip se duplica aproximadamente cada dos años.
La fotolitografía convencional se puede utilizar para construir estructuras tridimensionales agregando y grabando una capa de silicio a la vez, pero es un proceso frustrantemente lento, dice Berggren.
Señalando una imagen publicada en el artículo de Sandhage, que apareció en el Revista Internacional de Tecnología Cerámica Aplicada - Berggren dice: No hay forma de que yo sepa que podríamos hacer esta estructura sin las tecnologías que están desarrollando.
El proyecto de Sandhage no es la primera vez que los investigadores utilizan plantillas orgánicas para producir dispositivos y materiales a nanoescala. Angela Belcher, profesora del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT, ha utilizado proteínas virales para ensamblar una variedad de materiales, y una startup llamada Cambrios está buscando aplicaciones comerciales de su trabajo.
Daniel Solís, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Belcher, está trabajando en virus que pueden adherirse a electrodos de oro y recubrirse con material semiconductor; eventualmente espera usar los virus para hacer transistores que funcionen.
Las diatomeas podrían proporcionar plantillas para muchos otros tipos de estructuras, pero aún no está claro exactamente qué tipos. Sandhage espera que los cientos de miles de ejemplos de diatomeas de formas únicas en la naturaleza inspiren a los ingenieros a considerar nuevas posibilidades de diseño para procesadores y chips de memoria.
Los colegas de Sandhage ya están aprendiendo cómo los genes de las diatomeas determinan su forma, con la esperanza de permitir a los ingenieros diseñar diatomeas según sus propias especificaciones.
El genoma de una especie de diatomeas se ha secuenciado por completo y hay otra en camino. Mark Hildebrand, biólogo molecular de la Institución de Oceanografía Scripps y socio de Sandhage, cree que la diversidad de formas naturales de diatomeas sugiere, aunque de forma contraria a la intuición, que solo hay unos pocos genes centrales que controlan estas formas.
Si solo hay unos pocos genes clave, dice, entonces se requerirían relativamente pocas mutaciones para causar la enorme variedad de formas existentes. Hildebrand espera que la identificación de estos genes y la manipulación tanto de los genes como de los entornos en los que crecen las diatomeas permitirá a los investigadores crear estructuras novedosas.
Esa es una esperanza apoyada por Joanna Aizenberg de Lucent Technologies, quien ha producido lentes diminutos inspirados en la estructura de las esponjas.
Ser capaz de comprender la genética, cómo las diatomeas producen la variedad de sus formas, puede darnos la forma de producir formas no naturales utilizando sus códigos genéticos, dice Aizenberg.
Sandhage advierte que diseñar las diatomeas y organizarlas en estructuras útiles para dispositivos electrónicos no es un desafío trivial. Aizenberg y Berggren dicen que están de acuerdo, pero ambos son reservadamente optimistas.
Puede haber límites a la forma arbitraria de diseñarlos, dice Berggren. [Pero] creo que podrán diseñar estas diatomeas para hacer diferentes tipos de estructuras.
Mientras tanto, Sandhage ya ha desarrollado un par de usos para sus nuevas estructuras, incluido el uso de materiales que catalizan reacciones químicas como revestimiento para diatomeas. La gran proporción de área superficial a volumen en estructuras basadas en diatomeas las convierte en catalizadores ideales cuando flotan libremente en una solución, dice Sandhage.
Ha utilizado diatomeas recubiertas de catalizador para destruir pesticidas, una técnica que eventualmente podría usarse para prevenir la escorrentía de químicos peligrosos en arroyos y aguas subterráneas. También ha creado estructuras fotoluminiscentes recubriendo diatomeas con materiales que brillan bajo ciertas longitudes de onda de luz. Las estructuras podrían algún día usarse en pantallas de computadora.