Hvordan DNA 3D-printere kan transformere mikrochipdesign

Et team af forskere fra adskillige prestigefyldte læringsinstitutioner har netop låst op for nøglen til fremstilling i nanoskala. Deres nye tilgang anvender en specialbygget DNA 3D-printer. Denne helt nye tilgang til fremstilling af målrettede 3D-nanoskalastrukturer er afhængig af den forudsigelighed og selvsamlende egenskaber, som DNA besidder. Interessant nok anvender teknologien modulære DNA-strukturer, der kan forbindes og danne større arkitekturer. Disse strukturer kan bidrage til at drive avancerede teknologier såsom neuromorfisk databehandling, termisk afkobling og fremtidens mikrochipdesign. Her er hvad du behøver at vide.

Hvorfor nanoskalafremstilling er vigtig

Tiden med småskalaproduktion har ført til store teknologiske gennembrud. Miniaturisering af centrale beregningskomponenter har gjort det muligt for ingeniører at skabe mikroelektronik, der ville ligne sci-fi for bare 5 år siden. Men selv avancerede chips, der er afhængige af fotolitografi til laserætsning af stencils, har begrænsede muligheder for at blive miniaturiseret.

Teknologier som additiv fremstilling har bidraget til at fremme fremstillingsmetoder i småskala yderligere, men de har oplevet flaskehalse på det seneste. Efterhånden som nanofremstilling bliver det næste trin i miniaturisering, er disse teknologier ikke længere tilstrækkelige på grund af de unikke krav, der er nødvendige for at skabe strukturer i nanostørrelse. Især nanostrukturer er ideelle til højteknologiske videnskabelige applikationer, da de giver overlegen bindingsstyrke, strukturel støtte og kan hjælpe med transport af varme eller elektricitet, hvis det er nødvendigt.

Udfordringerne ved at trykke mikroelektronik

Problemet med at bruge 3D-printere til at skabe nanoskalaprojekter er, at deres store størrelse gør det umuligt at sikre, at de bevarer deres struktur. Dette problem bliver endnu mere relevant, når man har med komplekse tredimensionelle strukturer at gøre.

Sådan fungerer DNA 3D-printeren

I erkendelse af disse begrænsninger og behovet for at udforske nanofabrikationsprocessen yderligere, udgav et team af ingeniører fra Columbia og Brookhaven National Laboratories “Kodning af hierarkisk 3D-arkitektur gennem det omvendte design af programmerbare bindinger"studie¹.

Denne artikel undersøger potentialet ved at bruge DNA som 3D-printmateriale. DNA har nogle unikke egenskaber, der gør det ideelt egnet til denne opgave. For det første selvorganiserer det sig på grund af naturlige reaktioner. Denne bioorganisering betyder, at disse strukturer vil dannes, når de er printet, uden yderligere trin.

Kilde - Naturlige materialer

Hvorfor DNA er ideelt til nanoprintning

Ingeniørerne forudsagde, at DNA ville være den perfekte løsning til nanofabrikation af flere årsager. For det første kan det kun folde sig på bestemte måder baseret på de fire nukleinsyrer. Denne forudsigelighed gør det lettere at skabe robuste strukturer, der ikke kræver ekstra trin at samle. Derudover gør de strukturen mekanisk robust og holdbar.

Voxels: DNA-byggestenene

Forskeren besluttede, at en ottesidet oktaedrisk form kaldet en voxel ville være den bedste fremgangsmåde. Voxler danner stærke bindinger på præcise steder i hjørnerne af hver enhed. Derudover kan de grupperes forudsigeligt for at skabe en større struktur.

Ifølge forskere var et af de mest komplicerede trin i hele eksperimentet at bestemme, hvordan man skulle sætte startsekvensen op for voxlerne for at skabe de tilsigtede strukturer. DNA-strukturen kan omfatte milliarder af punkter. Heldigvis sikrede voxelens unikke egenskaber, at et omvendt strukturelt design var muligt.

MOSES: DNA Origami Designværktøjet

Ingeniørerne kaldte deres tilgang til nanofabrikation lidt i stil med "DNA origami"Dette navn refererer til, hvordan DNA'et er sat op til at folde sig på bestemte måder baseret på de kodningsanvisninger, som ingeniørerne har givet. For at udføre denne opgave skulle holdet oprette en beregningsmodel.

De udviklede systemet kaldet Mapping Of Structurally Encoded Assembly (MOSES) til at fungere som et designstudie for deres kreationer. Softwaren giver forskere mulighed for vilkårligt at definere et 3D hierarkisk ordnet gitter og verificere dets egenskaber før udskrivning.

Ingeniører kan endda udvikle nanodesigns, der indeholder last. Denne last kan bruges til at sikre, at den målrettede hierarkisk organiserede struktur forbliver holdbar. Computermodellen var også afgørende for at hjælpe ingeniører med at finjustere deres DNA-strukturdesign, så de kunne teste forskellige DNA-strukturer og -materialer.

Hvordan DNA-selvsamling fungerer

DNA'et binder sig naturligt ved sine forbindelsespunkter, hvilket eliminerer behovet for yderligere produktion. Denne proces foregår i særlige vandbrønde og skaber ikke skadelige affaldskemikalier. Dette reducerer den tid og indsats, det tager at skabe afgørende nanostrukturer, såsom katalytiske materialer og biomolekylære stilladser.

Design for maksimal effektivitet

Beregningsmodellen hjalp med at sikre, at ingeniørerne kun brugte den minimale mængde DNA til at skabe en struktur. Denne strategi sikrer, at strukturen er dens mest effektive version, hvilket bidrager til at øge processens produktivitet.

Omdannelse af DNA-aftryk til holdbare strukturer

Da nanoskala-printene var færdige, blev de belagt med silica. Det næste trin var at opvarme dem. Når de har nået en ønsket temperatur, nedbrydes det DNA, der bruges til at printe strukturen, til en uorganisk form. Denne strategi øger printenes holdbarhed og levetid.

Test af DNA 3D-printeren

Ingeniørerne testede deres arbejde på Columbia og Brookhaven National Laboratories. Helt konkret anvendte holdet synkrotronbaserede røntgenstråler og elektronmikroskoper til at undersøge DNA-strukturerne og stressteste deres egenskaber.

Som en del af testfasen printede teamet flere genstande. De første print inkluderede lavdimensionelle elementer. De næste designs inkluderede spiralformede motiver, en fladecentreret perovskitkrystalform og en distribueret Bragg-reflektor. Det er værd at bemærke, at disse former gav unikke egenskaber indbygget i deres design.

Hvad DNA 3D-printertestene viste

Resultaterne viste, at nanostrukturerne præcist matchede computermodellens forudsigelser. De selvsamledes som forudsagt og demonstrerede den øgede robusthed sammenlignet med tidligere metoder til småskalafremstilling. Derudover bemærkede ingeniørerne, at brugen af forskellige materialer gav forskellige egenskaber til strukturen.

For eksempel gav introduktionen af guldnanopartikler nogle af de testede strukturer ønskelige optiske egenskaber til lasercomputere og mere. Det samme koncept kunne bruges til at skabe materialer, der er super varmebestandige eller kan overføre elektriske impulser problemfrit.

Vigtigste fordele ved DNA 3D-printning

Der er flere fordele ved DNA 3D-printerstudiet, som vil forbedre teknologierne. For det første er nanofabrikation udviklingen af ​​nutidens mest avancerede småskalafremstillingsmetoder. Som sådan vil nanoprintning åbne døren for mindre og mere kraftfulde mikroelektronikprodukter, computere og sundhedsudstyr.

Automatisk selvmontering

Brugen af voxels giver de 3D-printede designs en stærk støttestruktur, der kan sættes op til selvmontering i enhver ønsket form. Denne tilgang tilbyder strukturel nøjagtighed og eliminerer behovet for at udføre efterudskrivningstrin, hvilket reducerer fejl og forbedrer effektiviteten.

Lavere omkostninger og effektivitet

Additiv fremstilling har bidraget til at reducere fremstillingsomkostningerne for unikke produkter. Denne strategi vil gøre det muligt for ingeniører og forskere at tage omkostningsreduktioner et skridt videre ved at eliminere ethvert behov for samling. Disse print følger DNA'ets naturlige forløb, hvilket giver betydelige besparelser sammenlignet med andre muligheder.

Miljøvenlig fremstilling

Den nanostrukturerede form forekommer direkte i vand, hvilket betyder, at der ikke er behov for at bruge skadelige kemikalier. Som sådan er der meget få forurenende stoffer. Derudover anvendte computermodellen automatisk den mindst mulige mængde DNA, hvilket yderligere reducerer risikoen for spildmaterialer, hvor det er muligt.

Alsidige materialer og anvendelser

Interessant nok er denne tilgang ikke reguleret til bioafledte komponenter. Ingeniørerne udtalte, at deres tilgang kan bruge både uorganiske og bioafledte nanokomponenter til at fremstille holdbare stilladser. Denne fleksibilitet gør det muligt for ingeniører at skabe unikke og mere funktionelle print designet til specifikke opgaver.

Real-World-applikationer og tidslinje

Der er adskillige anvendelser af den videnskab, der forklares i DNA 3D-printningsstudiet. For det første vil det bidrage til at fremme innovation og miniaturisering på tværs af brancher. Højteknologiske enheder bygget af nanoskopiske byggesten kan udføre en bred vifte af anvendelser, såsom at overvåge dit helbred internt eller holde temperaturen på rumfartøjsmotorer i skak.

Næste generations optiske chips og neuromorfisk databehandling

En af de primære anvendelser af 3D-DNA-printning er at bygge mere avancerede computere. Mange mener, at optiske computere er fremtiden. Holdet håber, at deres arbejde vil bidrage til at fremme udviklingen af nano 3D-lyssensorer, som nemt kan integreres i mikrochips. Ifølge deres undersøgelse kan lysfølsomt materiale anvendes på nano-stilladser for at udføre denne opgave.

Hvornår kan DNA 3D-printere blive virkelighed?

Det kan tage +10 år, før denne teknologi finder vej til offentligheden. Der er mange forskellige retninger, som denne teknologi vil gå i, herunder automatisering af flydende robotteknologi og endda skabelse af kunstige hjerner. Hvert af disse eksempler vil tage næsten et årti at undersøge og implementere fuldt ud.

Hvem står bag forskningen?

DNA 3D-printningsstudiet blev ledet af forskere fra flere prestigefyldte universiteter, herunder Columbia University og Brookhaven National Laboratorys Center for Functional Nanomaterials. Artiklen nævner Brian Minevich, Sanat K. Kumar og Aaron Michelson som bidragydere til projektet. De arbejdede sammen med et team af forskere fra adskillige universiteter for at føre projektet ud i livet.

Hvad er det næste for DNA 3D-printning?

Fremtiden for DNA 3D-printere vil omfatte en række industrielle og medicinske anvendelser. Disse enheder vil blive brugt til at skabe højteknologiske enheder og forbedre egenskaberne ved afgørende komponenter, herunder termisk styring. Holdet bemærkede, at det vil fortsætte med at udvide sin forskning, herunder at dykke ned i andre materialer og afdække nye designprincipper for at strømline samlingen af komplekse strukturer.

Investering i mikrochips' fremtid

Der er adskillige virksomheder involveret i at fremstille mikrocomputerchips. Efterspørgslen efter disse bittesmå enheder er vokset betydeligt, da brugen af ​​højteknologiske enheder er blevet normen globalt. Introduktionen af ​​nanochips vil fremme miniaturiseringen af ​​elektronik og åbne døren for mere komplekse og effektive enheder. Her er en virksomhed, der fortsat er førende inden for fremstilling af mikrochips.

Anvendte materialer 

Anvendte materialer (AMAT ) blev grundlagt i 1967 af Michael A. McNeill for at servicere halvlederwaferindustrien. Virksomheden blev lanceret i Silicon Valley og er vokset til at blive en global leder inden for produktion af mikrochipwafere.

Det er værd at bemærke, at Applied Materials fortsat er en populær aktie for investorer, der søger eksponering mod chipsektoren. Virksomheden blev børsnoteret tilbage i 1972 og har siden forblevet en af de bedste på NASDAQ. I begyndelsen af 80'erne begyndte virksomheden at servicere Asien med lanceringen af en ny fabrik i Japan. Dette skridt åbnede døren for internationale kunder.

I dag er Applied Materials et af de mest kendte navne inden for waferproduktion. Virksomheden har investeret millioner i at forbedre mikrochips og ejer nogle af de mest forskelligartede produktionsmaskiner til halvlederchips i verden. De, der søger en global leder inden for chipproduktion, bør undersøge AMAT nærmere.

Seneste nyheder og udviklinger inden for Applied Materials (AMAT) aktier

Afsluttende tanker

Når man hører om DNA-printere, forestiller man sig måske en enhed, der skaber et levende væsen. Disse ingeniører har dog vist, at DNA kan skabe det perfekte stillads til andre unikke materialer på nanoskala. Derfor vil deres arbejde bidrage til at fremme mikroelektronik og forhåbentlig inspirere til yderligere opdagelser i sektoren.

Lær om andre fede gennembrud inden for additiv fremstilling nu.

Referencer:

^{1. Kahn, JS, Minevich, B., Michelson, A. et al. Kodning af hierarkisk 3D-arkitektur gennem invers design af programmerbare bindinger. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02263-1}