Hoe DNA-3D-printers het ontwerp van microchips kunnen transformeren

Een team van wetenschappers van diverse prestigieuze onderwijsinstellingen heeft zojuist de sleutel tot nanoschaalfabricage ontdekt. ​​Hun nieuwe aanpak maakt gebruik van een speciaal gebouwde DNA-3D-printer. Deze volledig nieuwe aanpak voor het fabriceren van gerichte 3D-structuren op nanoschaal is gebaseerd op de voorspelbaarheid en zelfassemblage die DNA bezit. Interessant is dat de technologie gebruikmaakt van modulaire DNA-structuren die aan elkaar gekoppeld kunnen worden om grotere architecturen te vormen. Deze structuren kunnen geavanceerde technologieën zoals neuromorfisch computergebruik, thermische ontkoppeling en toekomstig microchipontwerp stimuleren. Dit is wat u moet weten.

Waarom nano-schaalfabricage belangrijk is

Het tijdperk van kleinschalige fabricage heeft geleid tot grote technologische doorbraken. Miniaturisatie van de belangrijkste computercomponenten heeft ingenieurs in staat gesteld micro-elektronica te creëren die slechts vijf jaar geleden nog sciencefiction leken. Zelfs geavanceerde chips die fotolithografie gebruiken om stencils met een laser te etsen, zijn echter beperkt in hun mogelijkheden om te miniaturiseren.

Technologieën zoals additieve productie hebben kleinschalige fabricagemethoden verder ontwikkeld, maar ze hebben de laatste tijd te kampen gehad met knelpunten. Nu nanofabricage de volgende stap in miniaturisatie wordt, schieten deze technologieën tekort vanwege de unieke vereisten die nodig zijn om nanostructuren te creëren. Nanostructuren zijn met name ideaal voor hightech wetenschappelijke toepassingen, omdat ze superieure hechtsterkte en structurele ondersteuning bieden en indien nodig kunnen bijdragen aan het transport van warmte of elektriciteit.

De uitdagingen van het printen van micro-elektronica

Het probleem met het gebruik van 3D-printers voor nanoschaalprojecten is dat hun enorme omvang het onmogelijk maakt om te garanderen dat ze hun structuur behouden. Dit probleem wordt nog relevanter bij complexe driedimensionale structuren.

Hoe de DNA 3D-printer werkt

In het besef van deze beperkingen en de noodzaak om het nanofabricageproces verder te onderzoeken, heeft een team van ingenieurs van Columbia en Brookhaven National Laboratories het "Het coderen van hiërarchische 3D-architectuur door middel van het inverse ontwerp van programmeerbare bindingen" studie¹.

Dit artikel onderzoekt de mogelijkheden van DNA als 3D-printmateriaal. DNA heeft een aantal unieke eigenschappen die het ideaal maken voor deze taak. Ten eerste assembleert het zichzelf door natuurlijke reacties. Deze bio-organisatie zorgt ervoor dat deze structuren zich na het printen zonder extra stappen vormen.

Bron - Natuurlijke materialen

Waarom DNA ideaal is voor nanoprinten

De ingenieurs voorspelden dat DNA de perfecte oplossing zou zijn voor nanofabricage, en wel om verschillende redenen. Ten eerste kan het zich alleen op bepaalde manieren vouwen, gebaseerd op de vier nucleïnezuren. Deze voorspelbaarheid maakt het makkelijker om stevige structuren te creëren die geen extra stappen vereisen om te assembleren. Bovendien maken ze de structuur mechanisch robuust en duurzaam.

Voxels: de DNA-bouwstenen

De wetenschapper besloot dat een achtzijdige octaëdrische vorm, een voxel genaamd, de beste aanpak zou zijn. Voxels vormen sterke verbindingen op exacte locaties op de hoeken van elke eenheid. Bovendien kunnen ze voorspelbaar worden gegroepeerd om een grotere structuur te creëren.

Volgens onderzoekers was een van de meest ingewikkelde stappen van het hele experiment het bepalen van de startsequentie voor de voxels om de beoogde structuren te creëren. De DNA-structuur kan miljarden punten bevatten. Gelukkig zorgden de unieke eigenschappen van de voxel ervoor dat een omgekeerd structureel ontwerp mogelijk was.

MOSES: De DNA Origami Ontwerp Tool

De ingenieurs noemden hun aanpak van nanofabricatie een beetje als "DNA-origamiDeze naam verwijst naar hoe het DNA is ingesteld om op bepaalde manieren te vouwen, gebaseerd op de coderingsinstructies van de ingenieurs. Om deze taak te volbrengen, moest het team een computermodel maken.

Ze ontwikkelden het systeem Mapping Of Structurally Encoded Assembly (MOSES) als ontwerpstudio voor hun creaties. De software stelt wetenschappers in staat om willekeurig een hiërarchisch geordend 3D-rooster te definiëren en de mogelijkheden ervan te verifiëren voordat ze het printen.

Ingenieurs kunnen zelfs nano-ontwerpen ontwikkelen die lading bevatten. Deze lading kan worden gebruikt om ervoor te zorgen dat de beoogde hiërarchisch georganiseerde structuur duurzaam blijft. Het computermodel was bovendien cruciaal om ingenieurs te helpen hun DNA-structuurontwerp te verfijnen, waardoor ze verschillende DNA-structuren en -materialen konden testen.

Hoe DNA-zelfassemblage werkt

Het DNA bindt zich op natuurlijke wijze aan de verbindingspunten, waardoor er geen extra productie nodig is. Dit proces vindt plaats in speciale waterputten en er ontstaan geen schadelijke afvalstoffen. Dit vermindert de tijd en moeite die nodig is om cruciale nanostructuren te creëren, zoals katalytische materialen en biomoleculaire scaffolds.

Ontwerpen voor maximale efficiëntie

Het computermodel zorgde ervoor dat de ingenieurs slechts de minimale hoeveelheid DNA gebruikten om een structuur te creëren. Deze strategie zorgt ervoor dat de structuur de meest efficiënte versie is, wat de productiviteit van het proces verhoogt.

DNA-afdrukken omzetten in duurzame structuren

Nadat de nanoprints klaar waren, werden ze gecoat met silica. De volgende stap was om ze te verhitten. Zodra de gewenste temperatuur is bereikt, ontbindt het DNA dat gebruikt is om de structuur te printen tot een anorganische vorm. Deze strategie verhoogt de duurzaamheid en levensduur van de prints.

Het testen van de DNA 3D-printer

De ingenieurs testten hun werk in de Columbia en Brookhaven National Laboratories. Het team gebruikte synchrotron-röntgen- en elektronenmicroscopen om de DNA-structuren te onderzoeken en hun mogelijkheden te testen.

Als onderdeel van de testfase printte het team meerdere items. De eerste prints bevatten elementen met een lage dimensie. De volgende ontwerpen omvatten spiraalvormige motieven, een perovskietkristal met een gecentreerd vlak en een gedistribueerde Bragg-reflector. Deze vormen leverden met name unieke kenmerken op die in het ontwerp waren ingebouwd.

Wat de DNA 3D-printertests lieten zien

De resultaten toonden aan dat de nanostructuren exact overeenkwamen met de voorspellingen van het computermodel. Ze assembleerden zichzelf zoals voorspeld en vertoonden een grotere veerkracht in vergelijking met eerdere methoden voor kleinschalige fabricage. Bovendien merkten de ingenieurs op dat het gebruik van verschillende materialen de structuur verschillende eigenschappen gaf.

De introductie van goudnanodeeltjes voorzag bijvoorbeeld enkele van de geteste structuren van gewenste optische eigenschappen voor lasercomputing en meer. Hetzelfde concept zou kunnen worden gebruikt om materialen te creëren die superhittebestendig zijn of elektrische pulsen naadloos kunnen overbrengen.

Belangrijkste voordelen van DNA 3D-printen

De studie naar DNA-3D-printers biedt verschillende voordelen die technologieën zullen verbeteren. Ten eerste is nanofabricage de evolutie van de meest geavanceerde kleinschalige fabricagemethoden van vandaag. Nanoprinten zal de deur openen naar kleinere en krachtigere micro-elektronica, computers en medische apparatuur.

Automatische zelfassemblage

Het gebruik van voxels biedt de 3D-geprinte ontwerpen een sterke ondersteunende structuur die zichzelf in elke gewenste vorm kan assembleren. Deze aanpak biedt structurele betrouwbaarheid en elimineert de noodzaak voor post-printstappen, wat fouten vermindert en de efficiëntie verbetert.

Lagere kosten en efficiëntie

Additieve productie heeft geholpen de productiekosten van unieke producten te verlagen. Deze strategie stelt ingenieurs en wetenschappers in staat om de kosten nog verder te verlagen door assemblage overbodig te maken. Deze prints volgen de natuurlijke loop van het DNA, wat aanzienlijke besparingen oplevert ten opzichte van andere opties.

Milieuvriendelijke productie

De nanogestructureerde vorm wordt direct in water gevormd, waardoor er geen schadelijke chemicaliën nodig zijn. Er zijn dus zeer weinig vervuilende stoffen. Bovendien gebruikte het computermodel automatisch zo min mogelijk DNA, waardoor de kans op materiaalverspilling zoveel mogelijk werd verkleind.

Veelzijdige materialen en toepassingen

Interessant genoeg is deze aanpak niet beperkt tot bio-afgeleide componenten. De ingenieurs stelden dat hun aanpak zowel anorganische als bio-afgeleide nanocomponenten kan gebruiken om duurzame scaffolds te maken. Deze flexibiliteit stelt ingenieurs in staat om unieke en functionelere prints te creëren, ontworpen voor specifieke taken.

Toepassingen in de echte wereld en tijdlijn

Er zijn verschillende toepassingen voor de wetenschap die in de studie naar DNA-3D-printen wordt uitgelegd. Ten eerste zal het innovatie en miniaturisatie in verschillende sectoren stimuleren. Hightech apparaten, gebouwd met nanoscopische bouwstenen, zouden een breed scala aan toepassingen kunnen hebben, zoals het intern monitoren van uw gezondheid of het controleren van de temperatuur van ruimtevaartuigmotoren.

Optische chips van de volgende generatie en neuromorfische computing

Een van de belangrijkste toepassingen van 3D-DNA-printen is het bouwen van geavanceerdere computers. Velen geloven dat optische computers de toekomst zijn. Het team hoopt dat hun werk zal bijdragen aan de ontwikkeling van nano-3D-lichtsensoren, die eenvoudig in microchips kunnen worden geïntegreerd. Volgens hun onderzoek kan lichtgevoelig materiaal op de nanoscaffolds worden aangebracht om deze taak te volbrengen.

Wanneer worden DNA 3D-printers werkelijkheid?

Het kan wel 10 jaar duren voordat deze technologie beschikbaar is voor het grote publiek. Deze technologie zal in veel verschillende richtingen gaan, waaronder automatisering van vloeibare robotica en zelfs de ontwikkeling van kunstmatige hersenen. Elk van deze voorbeelden zal bijna tien jaar duren om volledig te onderzoeken en te implementeren.

Wie zit er achter het onderzoek?

Het onderzoek naar DNA-3D-printen werd geleid door onderzoekers van verschillende prestigieuze universiteiten, waaronder Columbia University en het Center for Functional Nanomaterials van Brookhaven National Laboratory. In het artikel worden Brian Minevich, Sanat K. Kumar en Aaron Michelson genoemd als bijdragers aan het project. Ze werkten samen met een team van wetenschappers van verschillende universiteiten om het project tot leven te brengen.

Wat is de toekomst van DNA 3D-printen?

De toekomst van DNA 3D-printers zal een breed scala aan industriële en medische toepassingen omvatten. Deze apparaten zullen worden gebruikt om hightech apparaten te creëren en de eigenschappen van cruciale componenten te verbeteren, waaronder thermisch beheer. Het team merkte op dat het zijn onderzoek zal blijven uitbreiden, inclusief het verdiepen in andere materialen en het ontdekken van nieuwe ontwerpprincipes om de assemblage van complexe structuren te stroomlijnen.

Investeren in de toekomst van microchips

Er zijn verschillende bedrijven betrokken bij de ontwikkeling van microcomputerchips. De vraag naar deze kleine apparaten is aanzienlijk toegenomen, omdat het gebruik van hightech-apparaten wereldwijd de norm is geworden. De introductie van nanochips zal de miniaturisering van elektronica verder bevorderen en de weg vrijmaken voor complexere en effectievere apparaten. Dit is één bedrijf dat toonaangevend blijft in de productie van microchips.

Toegepaste Materialen 

Toegepaste Materialen (AMAT -0.41%) werd in 1967 opgericht door Michael A. McNeill om de halfgeleiderwaferindustrie te bedienen. Het bedrijf werd opgericht in Silicon Valley en is uitgegroeid tot een wereldleider in de productie van microchipwafers.

Met name Applied Materials blijft een populair aandeel voor beleggers die op zoek zijn naar exposure in de chipsector. Het bedrijf ging in 1972 naar de beurs en presteert sindsdien uitstekend op de NASDAQ. Begin jaren 80 begon het bedrijf met de verkoop in Azië met de opening van een nieuwe fabriek in Japan. Deze stap opende de deur naar een internationaal klantenbestand.

Tegenwoordig is Applied Materials een van de bekendste namen in de waferproductie. Het bedrijf heeft miljoenen geïnvesteerd in de verbetering van microchips en bezit een aantal van de meest diverse machines ter wereld voor de productie van halfgeleiderchips. Wie op zoek is naar een wereldleider in chipproductie, doet er goed aan om meer onderzoek te doen naar AMAT.

Laatste nieuws en ontwikkelingen over Applied Materials (AMAT) aandelen

Conclusie

Als je over DNA-printers hoort, denk je misschien aan een apparaat dat een levend wezen creëert. Deze ingenieurs hebben echter aangetoond dat DNA de perfecte basis kan vormen voor andere unieke materialen op nanoschaal. Hun werk zal dan ook bijdragen aan de vooruitgang van de micro-elektronica en hopelijk leiden tot verdere ontdekkingen in de sector.

Ontdek andere interessante doorbraken in additieve productie nu.

Referenties:

^{1. Kahn, JS, Minevich, B., Michelson, A. et al. Coderen van hiërarchische 3D-architectuur via invers ontwerp van programmeerbare bindingen. nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02263-1}