Hvordan DNA 3D-printere kan transformere mikrochipdesign

Et hold af forskere fra flere prestigefyldte uddannelsesinstitutioner har netop låst op for nøglen til nanoskala-fabrikation. Deres nye tilgang bruger en specielt bygget DNA‑3D‑printer. Denne helt nye metode til at fremstille målrettede 3D‑nanoskala‑strukturer bygger på den forudsigelighed og selv‑assemblage‑egenskaber, som DNA besidder. Interessant nok udnytter teknologien modulære DNA‑strukturer, der kan kobles sammen for at danne større arkitekturer. Disse strukturer kan hjælpe med at drive avancerede teknologier såsom neuromorfisk computing, termisk frakobling og fremtidigt mikrochipdesign. Her er, hvad du behøver at vide.

Hvorfor nanoskala-fabrikation betyder noget

Den lille‑skala fabrikationsalder har ført til store teknologiske gennembrud. Miniatiseringen af kerne‑computationskomponenter har gjort det muligt for ingeniører at skabe mikroelektronik, der ville have virket som science‑fiction for kun fem år siden.  Men selv avancerede chips, der er afhængige af fotolitografi til at laser‑ætske skabeloner, er begrænsede i deres evne til at miniatiseres.

Teknologier som additiv fremstilling har hjulpet med at skubbe små‑skala fabrikationsmetoder længere, men de er for nylig blevet flaskehalse. Efterhånden som nanofabrikation bliver næste fase i miniatisering, har disse teknologier fejlet på grund af de unikke krav, der er nødvendige for at skabe nano‑størrelsesstrukturer. Især er nanostrukturer ideelle til højteknologiske videnskabelige anvendelser, da de giver overlegen bindingstyrke, strukturel støtte og kan assistere i transport af varme eller elektricitet, hvis nødvendigt.

Udfordringerne ved at printe mikroelektronik

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

Hvordan DNA‑3D‑printeren fungerer

Ved at anerkende disse begrænsninger og behovet for at udforske nanofabrikationsprocessen yderligere, udgav et hold af ingeniører fra Columbia og Brookhaven National Laboratories studiet “Encoding hierarchical 3D architecture through the inverse design of programmable bonds“¹.

Dette papir undersøger potentialet i at anvende DNA som 3D‑printmateriale. DNA har nogle unikke egenskaber, der gør det ideelt til denne opgave. For det første selv‑assemblerer det på grund af naturlige reaktioner. Denne bio‑organisation betyder, at strukturerne vil dannes, så snart de er printet, uden yderligere trin.

Kilde – Natural Materials

Hvorfor DNA er ideelt til nano‑printning

Ingeniørerne forudsagde, at DNA ville være den perfekte løsning på nanofabrikation af flere grunde. 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 for at samle. Derudover gør det strukturen mekanisk stærk og holdbar.

Voxels: DNA‑byggestenene

Forskeren besluttede, at en otte‑sidet oktahedral form kaldet en voxel ville være den bedste tilgang. Voxels danner stærke bindinger på præcise steder i hvert enheds hjørne. Derudover kan de grupperes på forudsigelige måder for at skabe en større struktur.
Ifølge forskerne var et af de mest komplicerede trin i hele eksperimentet at bestemme, hvordan man opsætter startsekvensen for voxels for at skabe de ønskede strukturer. DNA‑strukturen kan indeholde 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 som “DNA origami.” Navnet refererer til, hvordan DNA er sat op til at folde sig på bestemte måder baseret på de kodningsretninger, som ingeniørerne leverer. For at udføre denne opgave måtte holdet skabe en beregningsmodel.

De udviklede systemet kaldet Mapping Of Structurally Encoded Assembly (MOSES) for 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 inden printning.

Ingeniører kan endda udvikle nano‑designs, der indeholder last indeni. Denne last kan bruges til at sikre, at den målrettede hierarkisk organiserede struktur forbliver holdbar. Desuden var computermodellen afgørende for at hjælpe ingeniører med at finjustere deres DNA‑strukturelle design, så de kunne teste forskellige DNA‑strukturer og materialer.

Hvordan DNA‑selv‑samling fungerer

DNA binder naturligt ved sine forbindelsespunkter, hvilket eliminerer behovet for yderligere produktion. Denne proces foregår i specielle vandbrønde og skaber ingen skadelige affaldskemikalier. Det reducerer den tid og indsats, der kræves for at skabe vigtige nanostrukturer, såsom katalytiske materialer og biomolekylære skabeloner.

Design for maksimal effektivitet

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

Omdannelse af DNA‑print til holdbare strukturer

Når nanoskala‑printene var færdige, blev de belagt med silica. Næste trin var at opvarme dem. Når den ønskede temperatur er nået, nedbrydes DNA‑et, der blev brugt til at printe strukturen, til en uorganisk form. Denne strategi øger holdbarheden og levetiden for printene.

Test af DNA‑3D‑printeren

Ingeniørerne testede deres arbejde på Columbia og Brookhaven National Laboratories. Specifikt brugte holdet synchrotron‑baserede røntgenstråler og elektronstrukturer til at undersøge DNA‑strukturerne og udføre stresstest af deres kapaciteter.
Som en del af testfasen printede holdet flere elementer. De første print indeholdt lav‑dimensionelle elementer. De næste designs omfattede helikale motiver, en face‑centred perovskite‑krystalform og en distribueret Bragg‑reflektor. Bemærkelsesværdigt leverede disse former unikke egenskaber indbygget i deres design.

Hvad DNA‑3D‑printertestene viste

Resultaterne viste, at nanostrukturerne matchede computermodellens forudsigelser præcist. De selv‑assemblerede som forudsagt og demonstrerede øget robusthed sammenlignet med tidligere metoder til småskala‑fabrikation. Derudover bemærkede ingeniørerne, at brug af forskellige materialer gav strukturen forskellige egenskaber.
For eksempel gav indførelsen af guld‑nanopartikler nogle af de testede strukturer ønskelige optiske egenskaber til laser‑computing og mere. Det samme koncept kunne bruges til at skabe materialer, der er supervarme‑bestandige eller kan overføre elektriske pulser problemfrit.

Nøglefordele ved DNA‑3D‑printning

Der er flere fordele ved DNA‑3D‑printerstudiet, som vil forbedre teknologier. For det første er nanofabrikation evolutionen af nutidens mest avancerede småskala‑fabrikationsmetoder. Som sådan vil nano‑printning åbne døren til mindre og mere kraftfulde mikroelektroniske enheder, computere og sundheds‑apparater.

Automatisk selv‑samling

Brugen af voxels giver de 3D‑printede designs en stærk støttestruktur, der kan sættes op til at selv‑samle sig til enhver ønsket form. Denne tilgang giver strukturel nøjagtighed og eliminerer behovet for efter‑print‑trin, hvilket reducerer fejl og forbedrer effektiviteten.

Lavere omkostninger & effektivitet

Additiv fremstilling har hjulpet med at reducere fremstillingsomkostningerne for unikke produkter. Denne strategi vil gøre det muligt for ingeniører og forskere at tage omkostningsreduktionerne et skridt videre ved at eliminere ethvert behov for samling. Skarpt følger disse print DNA’s naturlige forløb, hvilket giver betydelige besparelser sammenlignet med andre muligheder.

Miljøvenlig fremstilling

Den nanostrukturerede form i vand direkte, hvilket betyder, at der ikke er behov for at anvende skadelige kemikalier. Som sådan er der meget få forurenende stoffer. Derudover anvendte computermodellen automatisk den mindst mulige mængde DNA, hvilket yderligere reducerer enhver risiko for spild af materialer, hvor det er muligt.

Alsidige materialer & anvendelser

Interessant nok er denne tilgang ikke begrænset til bio‑afledte komponenter. Ingeniørerne udtalte, at deres tilgang kan udnytte både uorganiske og bio‑afledte nanokomponenter til at lave holdbare skabeloner. Denne fleksibilitet gør det muligt for ingeniører at skabe unikke og mere funktionelle print designet til specifikke opgaver.

Virkelige anvendelser & tidslinje

Der er flere anvendelser for den videnskab, der forklares i DNA‑3D‑printstudiet. For det første vil det hjælpe med at drive innovation og miniaturisering på tværs af industrier. High‑tech‑enheder bygget af nanoskala‑byggesten kan udføre et bredt udvalg af anvendelser, såsom at overvåge din sundhed internt eller holde rumfartøjsmotortemperaturer under kontrol.

Næste‑generation optiske chips & neuromorfisk computing

En af de primære anvendelser af 3D‑DNA‑printning er at bygge mere avancerede computere. Mange tror, at optiske computere er fremtiden. Holdet håber, at deres arbejde vil hjælpe med at fremme skabelsen af nano‑3D‑lyssensorer, som let kan integreres på mikrochips. Ifølge deres studie kan lyssensitive materialer påføres nanoskabelonerne for at udføre denne opgave.

Hvornår kan DNA‑3D‑printere blive virkelighed?

Det kan tage over 10 år, før denne teknologi når offentligheden. Der er mange forskellige retninger, teknologien kan tage, herunder flydende robotautomatisering 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‑printstudiet blev ledet af forskere fra flere prestigefyldte universiteter, herunder Columbia University og Brookhaven National Laboratory’s Center for Functional Nanomaterials. Papiret nævner Brian Minevich, Sanat K. Kumar og Aaron Michelson som bidragydere til projektet. De arbejdede sammen med et hold af videnskabsfolk fra adskillige universiteter for at realisere projektet.

Hvad er næste skridt 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 high‑tech‑produkter og forbedre egenskaberne for vigtige komponenter, herunder termisk styring. Holdet bemærkede, at de vil fortsætte med at udvide deres forskning, herunder at dykke ned i andre materialer og afdække nye designprincipper for at strømline samlingen af komplekse strukturer.

Investering i fremtiden for mikrochips

Der er flere virksomheder involveret i fremstilling af mikrocomputer‑chips. Efterspørgslen efter disse små enheder har oplevet betydelig vækst, da brugen af high‑tech‑enheder er blevet normen globalt. Introduktionen af nanochips vil yderligere miniaturisere elektronik og åbne døren for mere komplekse og effektive enheder. Her er en virksomhed, der fortsat er førende inden for mikrochip‑fabrikation.

Applied Materials 

Applied Materials (AMAT ) blev grundlagt i 1967 af Michael A. McNeill for at betjene halvleder‑wafer‑industrien. Virksomheden startede i Silicon Valley og er vokset til at blive en global leder inden for mikrochip‑wafer‑produktion.

Bemærkelsesværdigt forbliver Applied Materials en populær aktie for investorer, der søger eksponering mod chip‑sektoren. Virksomheden gik på børsen i 1972 og har siden da været en top‑performer på NASDAQ. I begyndelsen af 80’erne begyndte virksomheden at betjene Asien med lanceringen af en ny fabrik i Japan. Dette skridt åbnede døren for internationale kunder.

Seneste nyheder og udviklinger om Applied Materials (AMAT) aktien

Afsluttende tanker

Når du hører om DNA‑printere, kan du forestille dig en enhed, der skaber en levende skabning. Men disse ingeniører har vist, at DNA kan skabe den perfekte skabelon for andre unikke materialer på nanoskala. Som følge heraf vil deres arbejde hjælpe med at fremme mikroelektronik og forhåbentlig inspirere til yderligere opdagelser inden for sektoren.

Lær om andre spændende gennembrud inden for additiv fremstilling nu.

Referencer:

^{1. Kahn, J.S., Minevich, B., Michelson, A. et al. Encoding hierarchical 3D architecture through inverse design of programmable bonds. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02263-1}