Hvordan DNA 3D‑skrivere kan forvandle mikrochipdesign

Forskere ved Columbia University og Brookhaven National Laboratory har vist hvordan DNA-baserte byggesteiner kan settes sammen til ordnede tredimensjonale nanostrukturer. Metoden bygger på programmerte bindinger og selvorganisering i væske. Uttrykket «DNA-3D-skriver» i artikkelens tittel er en forenkling: studien beskriver ikke en vanlig printer som skriver ut ferdige mikrobrikker.

Hvorfor nano‑skala fabrikasjon er viktig

Miniatyrisering har vært sentral for elektronikk og materialforskning. Å lage tredimensjonale strukturer med kontroll over plasseringen av nanopartikler er likevel vanskelig med tradisjonelle produksjonsmetoder. Slike strukturer kan påvirke lys, mekaniske egenskaper eller transport av stoffer, men egenskapene må måles for hvert materiale.

Utfordringene med å skrive ut mikroelektronikk

I nanoskala blir både geometri og plassering av byggesteiner avgjørende. Metoder som fungerer for større deler, gir ikke nødvendigvis den samme kontrollen over mange gjentatte strukturer i tre dimensjoner. Det er denne utfordringen forskerne undersøkte.

Forskningskilde: Kahn mfl., Nature Materials (2025). DNA-voxler styrer selvorganisering av nanopartikler; artikkelen beskriver ingen ferdig mikrobrikkeskriver.

Hvordan DNA‑3D‑printeren fungerer

Forskergruppen publiserte studien «Koding av hierarkisk 3D‑arkitektur gjennom invers design av programmerbare bindinger»¹. Arbeidet bruker omvendt design: først velges ønsket struktur, deretter bestemmes DNA-bindinger som skal lede byggesteinene til å sette seg sammen.

Arbeidet bruker DNA-rammer som programmerbare byggesteiner for å lede nanopartikler inn i valgte 3D-mønstre. Det er selvorganisering i løsning, ikke ekstrudering av DNA-lag fra en tradisjonell printer.

Kilde: Nature Materials

Hvorfor DNA er ideelt for nano‑utskrift

DNA egner seg til programmerbar sammenstilling fordi komplementære sekvenser kan binde seg selektivt. Sekvensene på byggesteinenes kontaktpunkter bestemmer hvilke deler som kan kobles sammen. Dette gir mange designmuligheter, men korrekt sluttstruktur oppstår ikke automatisk for enhver kode eller i enhver prosess.

Voxeler: DNA‑byggesteinene

Forskerne brukte DNA-origami som rammer med adresserbare bindinger, ofte beskrevet som voxler. Et valgt sett av voxler danner et gjentatt mønster, kalt mesovoxel, som bygger opp en større krystall. Arbeidet undersøkte hvordan symmetri og mengden kodet bindingsinformasjon påvirker om den ønskede strukturen dannes.

Omvendt design med DNA-origami

Metoden omtales gjerne i forbindelse med «DNA origami». Begrepet viser til hvordan DNA-tråder foldes og får programmerte kontaktpunkter. Studien kombinerte utforming av slike byggesteiner med beregningsmodeller og laboratorieforsøk.

Forskerne brukte beregningsbasert omvendt design til å velge bindinger som støtter en ønsket, hierarkisk struktur. Modellen ble sammenholdt med eksperimentelle prøver.

Modellen gjorde det mulig å teste om et foreslått sett av bindinger kunne danne en bestemt tredimensjonal organisering. Forskerne undersøkte også innlemming av nanopartikler, slik at den resulterende strukturen kan få andre optiske egenskaper. Dette er et design- og monteringsprinsipp, ikke programvare som på egen hånd produserer en ferdig elektronisk enhet.

Hvordan DNA‑selv‑samling fungerer

DNA-rammene møtes i en løsning og bindes gjennom komplementære sekvenser. Temperatur, konsentrasjon, sammensetning og tidsforløp påvirker utbyttet. Selvorganisering reduserer behovet for å plassere hver nanopartikkel manuelt, men krever fremstilling og kontroll av byggesteinene.

Design for maksimal effektivitet

Ved å utnytte symmetrien i ønsket mønster kan antall ulike bindingstyper begrenses. Studien kaller dette komprimering av designinformasjon. Målet er å gjøre sammenstillingen mer pålitelig, ikke å bevise at enhver struktur alltid bruker minst mulig DNA eller har lavest mulig pris.

Omforming av DNA‑utskrifter til holdbare strukturer

Noen av de sammenstilte strukturene ble belagt med silika for å stabilisere dem og muliggjøre elektronmikroskopi. Dette var en del av prøvehåndteringen i studien. Det er ikke riktig å beskrive alle prøvene som ferdige 3D-utskrifter der DNA automatisk fjernes ved oppvarming.

Testing av DNA‑3D‑printeren

Forskerne brukte blant annet røntgenspredning og elektronmikroskopi til å undersøke strukturene. De testet flere mønstre: lavdimensjonale elementer, spiralformede motiver, en nanoskala-analogi til en flatesentrert perovskittkrystall og en distribuert Bragg-reflektor. Hvert mønster belyser ulik kontroll over romlig organisering.

Hva testene av DNA‑3D‑printeren viste

Eksperimentene viste strukturer som stemte med de utvalgte designmålene og støttet modellen for programmerte bindinger. Innlemming av gullnanopartikler og andre materialer ga mulighet til å undersøke optiske egenskaper. Studien viser ikke at en ferdig laserprosessor eller en ny mikrobrikke allerede er bygget.

Nøkkelfordeler med DNA‑3D‑utskrift

Resultatene viser en metode for å ordne nanokomponenter i tre dimensjoner. Mulige bruksområder finnes innen optiske materialer, katalyse og elektronikk, men praktiske fordeler krever ytterligere ytelses- og produksjonstester.

Automatisk selv‑samling

Når kontaktpunktene er programmert, kan mange byggesteiner organisere seg i løsning uten at hver enkelt må monteres separat. Utbytte og feilrate avhenger fortsatt av design og prosessbetingelser.

Lavere kostnader og effektivitet

Færre manuelle monteringstrinn kan på sikt være en fordel. Studien fastslår derimot ikke at DNA-metoden allerede er billigere enn alle etablerte nanofabrikasjonsprosesser. DNA-fremstilling, rensing, karakterisering og videre bearbeiding må regnes med.

Miljøvennlig produksjon

Sammenstilling i vandig løsning kan redusere behovet for noen prosesskjemikalier. Den samlede miljøpåvirkningen kan ikke fastslås uten å ta hensyn til DNA-syntese, nanopartikler, silikabelegg og avfallshåndtering.

Allsidige materialer og bruksområder

De programmerte DNA-bindingene kan organisere både biologiske og uorganiske komponenter. Forskerne demonstrerte blant annet mønstre av nanopartikler med interessante optiske egenskaper. Hver ny komponenttype må testes separat.

Virkelige anvendelser og tidslinje

Presist ordnede nanostrukturer kan etter videre utvikling bidra til optiske elementer eller andre funksjonelle materialer. Studien undersøkte ikke en medisinsk sensor inne i kroppen eller temperaturstyring av en romfartsmotor. Dette er mulige anvendelser, ikke dokumenterte produkter.

Neste generasjons optiske brikker og nevromorfisk databehandling

En distribuert Bragg-reflektor var blant strukturene forskerne laget. Den viser kontroll over hvordan et organisert materiale påvirker lys. Det er et skritt mot optiske komponenter, men verken en ferdig optisk mikrobrikke eller en nevromorf datamaskin ble demonstrert.

Når kan DNA‑3D‑skrivere bli virkelighet?

Forskerne oppga ingen sikker dato for allmenn tilgjengelighet. Å anslå ti år eller mer, slik originalteksten gjorde, er spekulasjon. Skal metoden brukes industrielt, må man undersøke reproduserbarhet, integrasjon, produksjonsmengde, kostnader og sikkerhet.

Hvem står bak forskningen?

Nature Materials-artikkelen har et større forfatterlag fra blant annet Columbia University og Brookhaven National Laboratory. Jason S. Kahn og Brian Minevich er førsteforfattere; Oleg Gang ledet arbeidet sammen med bidrag fra Aaron Michelson, Sanat K. Kumar og flere andre.

Hva er neste for DNA‑3D‑utskrift?

Videre forskning kan undersøke andre mønstre og materialer samt hvordan nanopartikler plasseres og stabiliseres. Industrielle og medisinske anvendelser krever separat utvikling; studien viser et designprinsipp og konkrete laboratorieprøver.

Investere i fremtiden for mikrobrikker

Et forskningsresultat om DNA-selvorganisering gir ikke i seg selv grunnlag for å anbefale en bestemt halvlederaksje. Eventuell kommersiell bruk må dokumenteres av det aktuelle selskapet og vurderes opp mot andre faktorer.

Applied Materials 

Applied Materials (AMAT ) leverer utstyr og tjenester til halvlederindustrien. Selskapet er en del av markedet for avansert produksjon, men var ikke en av forskningsinstitusjonene bak den omtalte DNA-studien.

Applied Materials ble grunnlagt i 1967 og er børsnotert. Dets historikk i halvlederutstyr gir bransjekontekst, men er ingen dokumentasjon på samarbeid om denne Nature Materials-studien.

Selskapets virksomhet spenner over flere typer utstyr for materialbehandling og halvlederfremstilling. Investorer må bruke oppdaterte selskapsrapporter og vurdere risiko på egne premisser.

Applied Materials utvikler utstyr som brukes i ulike trinn av brikkeproduksjon. Det er ikke dokumentert her at selskapet har tatt i bruk denne bestemte DNA-baserte selvorganiseringsmetoden, eller at studien får en målbar innvirkning på inntektene.

Siste nyheter og utviklinger for Applied Materials (AMAT) aksjen

Avsluttende tanker

Studien viser at DNA-baserte byggesteiner og målrettede bindinger kan organisere nanopartikler i utvalgte tredimensjonale mønstre. Den gir et grunnlag for videre forskning på materialegenskaper og produksjon, men ikke en ferdig «DNA-printer» for kommersielle mikrobrikker.

Les mer om utvikling innen additiv produksjon her.

Referanser:

^{1. Kahn, J.S., 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}