29.03.2025
Исследователи из Колумбийского инженерного колледжа впервые использовали ДНК для создания 3D-устройств с электронным управлением и нанометровыми элементами.
«Переход от 2D к 3D может значительно повысить плотность и вычислительную мощность электроники», — сказал соавтор исследования Олег Ганг, профессор химической инженерии, прикладной физики и материаловедения в Колумбийском инженерном колледже и руководитель группы Центра функциональных наноматериалов по мягким и биологическим наноматериалам в Брукхейвенской национальной лаборатории.
Новая технология производства также может способствовать текущим усилиям по разработке систем искусственного интеллекта, напрямую вдохновлённых естественным интеллектом.
«Трёхмерные электронные архитектуры, имитирующие естественную трёхмерную структуру мозга, могут оказаться гораздо более эффективными в работе систем искусственного интеллекта, имитирующих мозг, чем существующие двухмерные архитектуры», — сказал Ганг.
Исследователи подробно описали свои выводы 28 марта в журнале Science Advances.
От травления до складывания
Традиционная электроника основана на плоских схемах. Чтобы сделать микрочипы более мощными, исследователи по всему миру экспериментируют с трёхмерными подходами к их созданию.
Однако современные методы производства электроники основаны на принципе «сверху вниз»: кусок материала постепенно разрушается, например, электронным лучом, пока не будет достигнута желаемая структура, как при лепке из камня. Эти методы сталкиваются с проблемами при изготовлении 3D-устройств, когда речь идёт о создании сложных структур и их изготовлении с минимальными затратами. Например, они сталкиваются с трудностями при сборке нескольких слоёв схем, которые должны правильно располагаться друг над другом.
«На протяжении сотен этапов производства накапливаются ошибки, которые недопустимы с точки зрения производительности и затрат», — сказал Ганг.
Концептуально иной способ создания 3D-системы — снизу вверх, когда многие компоненты самособираются в сложные структуры. Теперь исследователи из Колумбийского инженерного центра разработали новый, вдохновлённый биологией способ создания 3D-электроники снизу вверх. Ключевым моментом новой технологии является то, как нити ДНК могут складываться в фигуры — так называемое оригами. Эти строительные блоки, называемые каркасами, затем используются для сборки крупномасштабных 3D-структур, называемых каркасами, с наноразмерной точностью.
ДНК состоит из цепочек из четырёх разных видов молекул, обозначаемых буквами A, T, C и G. Они соединяются друг с другом особым образом: A с T, C с G. Создавая несколько молекул с правильными последовательностями, исследователи могут заставить длинные цепочки ДНК сворачиваться в 2D- или 3D-формы. Фрагменты ДНК, прикреплённые к этим цепочкам, удерживают свёрнутые структуры на месте.
Создание прототипа
В новом исследовании первый автор работы Аарон Михельсон, научный сотрудник Центра функциональных наноматериалов Брукхейвенской национальной лаборатории, который ранее был аспирантом в группе Гэнга, вместе с Гэнгом и их коллегами нанес на поверхность ряды золотых квадратов, к которым они могли прикреплять короткие фрагменты ДНК. Эти молекулы служили якорями, к которым они могли прикреплять восьмиугольные ромбовидные октаэдрические каркасы ДНК, которые самособираются в трёхмерные структуры в определённых местах на поверхности.
«Эти золотые массивы с закреплёнными нитями ДНК способствуют росту трёхмерных каркасов ДНК на определённых участках в желаемых формах и ориентациях, что позволяет нам создавать и интегрировать эту ДНК в электронную пластину», — сказал Ганг.
Исследователи в сотрудничестве с группой профессора Вальда Прибиага из Университета Миннесоты покрыли эти каркасы из ДНК оксидом кремния, проложили их полупроводниковым оксидом олова и подключили электроды к каждой структуре. В результате получились световые датчики, которые реагируют на свет электрически.
«Мы продемонстрировали, что можем не только создавать трёхмерные структуры из ДНК, но и интегрировать их в микрочипы в рамках процесса производства электронных устройств, — сказал Ганг. — Мы можем размещать тысячи таких структур в определённых местах на кремниевых пластинах масштабируемым способом. Это демонстрирует, что мы можем кардинально изменить процесс производства сложных трёхмерных электронных устройств».
«В течение долгого времени мы работали над тем, какие явления могут помочь в создании самособирающегося электронного устройства, — сказал Ганг. — Сейчас очень интересно продемонстрировать эти футуристические идеи, создать работающее устройство с помощью этих процессов сборки снизу вверх».
В будущем Ганг и его коллеги хотели бы использовать свой новый метод для создания более сложных электронных устройств с использованием нескольких материалов. «Моя следующая мечта — создание 3D-схем», — сказал он».
Источник: Tech Xplore
