Hvordan DNA 3D-skrivere kan transformere mikrochipdesign

Et team av forskere fra flere prestisjefylte læringsinstitusjoner har nettopp låst opp nøkkelen til nanoskalafabrikasjon. Deres nye tilnærming bruker en spesialbygd DNA 3D-printer. Denne helt nye tilnærmingen til å produsere målrettede 3D-nanoskalastrukturer er avhengig av forutsigbarheten og selvmonteringsegenskapene som DNA har. Interessant nok bruker teknologien modulære DNA-strukturer som kan kobles sammen for å danne større arkitekturer. Disse strukturene kan bidra til å drive avanserte teknologier som nevromorfisk databehandling, termisk avkobling og fremtidig mikrochipdesign. Her er hva du trenger å vite.

Hvorfor nanoskalafabrikasjon er viktig

Tiden med småskala fabrikasjon har ført til store teknologiske gjennombrudd. Miniatyrisering av sentrale beregningskomponenter har gjort det mulig for ingeniører å lage mikroelektronikk som ville virket som sci-fi bare fem år tidligere. Imidlertid er selv avanserte brikker som er avhengige av fotolitografi for laseretsing av sjablonger begrenset i sin evne til å bli miniatyrisert.

Teknologier som additiv produksjon har bidratt til å fremme småskala fabrikasjonsmetoder ytterligere, men de har blitt flaskehalset i det siste. Etter hvert som nanofabrikasjon blir det neste trinnet i miniatyrisering, har disse teknologiene kommet til kort på grunn av de unike kravene som kreves for å lage strukturer i nanostørrelse. Spesielt nanostrukturer er ideelle for høyteknologiske vitenskapelige applikasjoner, ettersom de gir overlegen bindingsstyrke, strukturell støtte og kan hjelpe til med transport av varme eller elektrisitet om nødvendig.

Utfordringene med utskrift av mikroelektronikk

Problemet med å bruke 3D-printere til å lage nanoskalaprosjekter er at størrelsen gjør det umulig å sikre at de beholder strukturen sin. Dette problemet blir enda mer relevant når man har med komplekse tredimensjonale strukturer å gjøre.

Hvordan DNA 3D-skriveren fungerer

Et team av ingeniører fra Columbia og Brookhaven National Laboratories erkjente disse begrensningene og behovet for å utforske nanofabrikasjonsprosessen videre, og publiserte derfor «Koding av hierarkisk 3D-arkitektur gjennom invers design av programmerbare bindinger" studere¹.

Denne artikkelen utforsker potensialet ved å bruke DNA som et 3D-printingsmateriale. DNA har noen unike egenskaper som gjør det ideelt egnet for denne oppgaven. For det første selvorganiserer det seg på grunn av naturlige reaksjoner. Denne bioorganiseringen betyr at disse strukturene vil dannes når de er printet ut uten ytterligere trinn.

Kilde - Naturmaterialer

Hvorfor DNA er ideelt for nanoprinting

Ingeniørene spådde at DNA ville være den perfekte løsningen for nanofabrikasjon av flere grunner. For det første kan det bare foldes på bestemte måter basert på de fire nukleinsyrene. Denne forutsigbarheten gjør det enklere å lage robuste strukturer som ikke krever ekstra trinn for montering. I tillegg gjør de strukturen mekanisk robust og holdbar.

Voxler: DNA-byggesteinene

Vitenskapsmannen bestemte seg for at en åttesidig oktaedrisk form kalt en voksel ville være den beste tilnærmingen. Voksler danner sterke bindinger på nøyaktige steder i hjørnene av hver enhet. I tillegg kan de grupperes forutsigbart for å skape en større struktur.

Ifølge forskere var et av de mest kompliserte trinnene i hele eksperimentet å bestemme hvordan man skulle sette opp startsekvensen for vokselene for å lage de tiltenkte strukturene. DNA-strukturen kan inneholde milliarder av punkter. Heldigvis sørget vokselens unike egenskaper for at en invers strukturell design var mulig.

MOSES: DNA-origami-designverktøyet

Ingeniørene kalte tilnærmingen sin til nanofabrikasjon litt sånn som «DNA-origami«Dette navnet refererer til hvordan DNA-et er satt opp til å folde seg på bestemte måter basert på kodingsinstruksjonene som ingeniørene har gitt. For å utføre denne oppgaven måtte teamet lage en beregningsmodell.»

De utviklet systemet kalt Mapping Of Structurally Encoded Assembly (MOSES) for å fungere som et designstudio for kreasjonene sine. Programvaren lar forskere vilkårlig definere et hierarkisk ordnet 3D-gitter og verifisere dets egenskaper før utskrift.

Ingeniører kan til og med utvikle nanodesign som inneholder last. Denne lasten kan brukes til å sikre at den målrettede hierarkisk organiserte strukturen forblir holdbar. Datamodellen var også avgjørende for å hjelpe ingeniører med å finjustere DNA-strukturdesignet sitt, slik at ingeniører kunne teste forskjellige DNA-strukturer og materialer.

Hvordan DNA-selvsamling fungerer

DNA binder seg naturlig ved koblingspunktene, noe som eliminerer behovet for ytterligere produksjon. Denne prosessen skjer i spesielle vannbrønner og skaper ingen skadelige avfallskjemikalier. Dette reduserer tiden og innsatsen det tar å lage viktige nanostrukturer, som katalytiske materialer og biomolekylære stillaser.

Design for maksimal effektivitet

Beregningsmodellen bidro til å sikre at ingeniørene bare brukte minimale mengder DNA for å lage en struktur. Denne strategien sikrer at strukturen er den mest effektive versjonen, noe som bidrar til å øke produktiviteten i prosessen.

Å gjøre DNA-avtrykk om til slitesterke strukturer

Da nanoskalautskriftene var ferdige, ble de belagt med silika. Neste trinn var å varme dem opp. Når de har nådd ønsket temperatur, brytes DNA-et som brukes til å skrive ut strukturen ned til en uorganisk form. Denne strategien øker holdbarheten og levetiden til utskriftene.

Testing av DNA 3D-skriveren

Ingeniørene testet arbeidet sitt ved Columbia og Brookhaven National Laboratories. Teamet brukte synkrotronbaserte røntgenstråler og elektronmikroskoper for å undersøke DNA-strukturene og stressteste deres evner.

Som en del av testfasen trykket teamet flere elementer. De første trykkene inkluderte lavdimensjonale elementer. De neste designene inkluderte spiralformede motiver, en flatesentrert perovskittkrystallform og en distribuert Bragg-reflektor. Det er verdt å merke seg at disse formene ga unike egenskaper innebygd i designet.

Hva DNA 3D-printertestene viste

Resultatene viste at nanostrukturene samsvarte nøyaktig med datamodellens forutsigelser. De selvmonterte seg som forutsagt og demonstrerte økt robusthet sammenlignet med tidligere metoder for småskala fabrikasjoner. I tillegg bemerket ingeniørene at bruk av forskjellige materialer ga forskjellige egenskaper til strukturen.

For eksempel ga introduksjonen av gullnanopartikler noen av de testede strukturene ønskelige optiske egenskaper for laserdatabehandling og mer. Det samme konseptet kan brukes til å lage materialer som er supervarmebestandige eller kan overføre elektriske pulser sømløst.

Viktige fordeler med DNA 3D-printing

Det er flere fordeler med DNA 3D-printerstudien som vil forbedre teknologiene. For det første er nanofabrikasjon utviklingen av dagens mest avanserte småskala fabrikasjonsmetoder. Som sådan vil nanoprinting åpne døren for mindre og kraftigere mikroelektronikk, datamaskiner og helseutstyr.

Automatisk selvmontering

Bruken av vokseler gir de 3D-printede designene en sterk støttestruktur som kan settes opp for å selvmonteres til enhver ønsket form. Denne tilnærmingen gir strukturell gjengivelse og eliminerer behovet for å utføre ettertrykkstrinn, noe som reduserer feil og forbedrer effektiviteten.

Lavere kostnader og effektivitet

Additiv produksjon har bidratt til å redusere produksjonskostnadene for unike produkter. Denne strategien vil gjøre det mulig for ingeniører og forskere å ta kostnadsreduksjoner et skritt videre ved å eliminere behovet for montering. Disse utskriftene følger DNA-ets naturlige løp, noe som gir betydelige besparelser sammenlignet med andre alternativer.

Miljøvennlig produksjon

Den nanostrukturerte formen oppstår direkte i vann, noe som betyr at det ikke er behov for å bruke skadelige kjemikalier. Som sådan er det svært få forurensende stoffer. I tillegg brukte datamodellen automatisk minst mulig DNA, noe som ytterligere reduserer sjansen for bortkastede materialer der det er mulig.

Allsidige materialer og bruksområder

Interessant nok er denne tilnærmingen ikke regulert for bioavledede komponenter. Ingeniørene uttalte at deres tilnærming kan bruke både uorganiske og bioavledede nanokomponenter for å lage slitesterke stillaser. Denne fleksibiliteten gjør det mulig for ingeniører å lage unike og mer funksjonelle utskrifter designet for spesifikke oppgaver.

Real-World-applikasjoner og tidslinje

Det finnes flere bruksområder for vitenskapen som er forklart i DNA 3D-printingstudien. For det første vil det bidra til å drive innovasjon og miniatyrisering på tvers av bransjer. Høyteknologiske enheter bygget av nanoskopiske byggeklosser kan utføre et bredt spekter av bruksområder, som å overvåke helsen din internt eller holde temperaturen på romfartøymotorer i sjakk.

Neste generasjons optiske brikker og nevromorfisk databehandling

En av de primære bruksområdene for 3D-DNA-printing er å bygge mer avanserte datamaskiner. Mange tror at optiske datamaskiner er fremtiden. Teamet håper at arbeidet deres vil bidra til å fremme utviklingen av nano 3D-lyssensorer, som enkelt kan integreres i mikrobrikker. I følge studien deres kan lysfølsomt materiale påføres nano-stillasene for å utføre denne oppgaven.

Når kan DNA 3D-printere bli virkelighet?

Det kan ta over ti år før denne teknologien blir tilgjengelig for offentligheten. Det er mange forskjellige retninger denne teknologien vil ta, inkludert automatisering av flytende robotikk og til og med å lage kunstige hjerner. Hvert av disse eksemplene vil ta nesten et tiår å undersøke og distribuere fullt ut.

Hvem står bak forskningen?

Studien av DNA 3D-printing ble ledet av forskere fra flere prestisjetunge universiteter, inkludert Columbia University og Brookhaven National Laboratorys Center for Functional Nanomaterials. Artikkelen nevner Brian Minevich, Sanat K. Kumar og Aaron Michelson som bidragsytere til prosjektet. De jobbet med et team av forskere fra en rekke universiteter for å realisere prosjektet.

Hva blir det neste for DNA 3D-printing?

Fremtiden for DNA 3D-printere vil omfatte en rekke industrielle og medisinske bruksområder. Disse enhetene vil bli brukt til å lage høyteknologiske enheter og forbedre egenskapene til viktige komponenter, inkludert termisk styring. Teamet bemerket at de vil fortsette å utvide forskningen sin, inkludert å fordype seg i andre materialer og avdekke nye designprinsipper for å effektivisere monteringen av komplekse strukturer.

Investering i fremtiden for mikrobrikker

Det er flere selskaper involvert i å lage mikrodatamaskinbrikker. Etterspørselen etter disse bittesmå enhetene har økt betydelig ettersom bruken av høyteknologiske enheter har blitt normen globalt. Innføringen av nanobrikker vil fremme miniatyriseringen av elektronikk og åpne døren for mer komplekse og effektive enheter. Her er et selskap som fortsatt er ledende innen mikrochipfabrikasjon.

Anvendte materialer 

Anvendte materialer (AMAT ) ble grunnlagt i 1967 av Michael A. McNeill for å betjene halvlederwaferindustrien. Selskapet ble startet i Silicon Valley og har vokst til å bli en global leder innen produksjon av mikrochipwafere.

Det er verdt å merke seg at Applied Materials fortsatt er en populær aksje for investorer som søker eksponering mot chipsektoren. Selskapet ble børsnotert i 1972 og har siden vært en toppaktør på NASDAQ. Tidlig på 80-tallet begynte selskapet å betjene Asia med lanseringen av en ny fabrikk i Japan. Dette åpnet døren for internasjonale kunder.

I dag er Applied Materials et av de mest kjente navnene innen waferproduksjon. Selskapet har investert millioner i å forbedre mikrobrikker og eier noen av de mest varierte maskinene for halvlederbrikkeproduksjon i verden. De som søker en global leder innen brikkeproduksjon bør gjøre mer research på AMAT.

Siste nytt og utvikling for Applied Materials (AMAT)-aksjer

Final Thoughts

Når du hører om DNA-printere, ser du kanskje for deg en eller annen innretning som lager et levende vesen. Disse ingeniørene har imidlertid vist at DNA kan skape det perfekte stillaset for andre unike materialer på nanoskala. Følgelig vil arbeidet deres bidra til å fremme mikroelektronikken og forhåpentligvis inspirere til ytterligere oppdagelser i sektoren.

Lær om andre kule gjennombrudd innen additiv produksjon nå.

Referanser:

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