3D-наноструктурированное устройство, изготовленное с использованием самосборки ДНК (левая панель). Кристалл ДНК выращивается в указанном месте подложки (около 1000 кристаллов на 5 мкм на прокладках показаны на правой панели), затем минерализованы к кремнезему и объемно шаблоны с полупроводниковым материалом перед прикрепленными электродами (центральная панель). Полученное устройство демонстрирует электрический отклик при воздействии света. Тысячи таких 3D-устройств можно выращивать параллельно, используя этот подход к изготовлению снизу вверх. Кредит: Центр функциональных наноматериалов
Исследователи в Columbia Engineering впервые использовали ДНК, чтобы помочь создать 3D-эксплуатационные устройства с функциями размера нанометра.
«Переход от 2D до 3D может значительно увеличить плотность и вычислительную мощь электроники», — сказал соответствующий автор Олег Банг, профессор химической инженерии и прикладной физики и материаловедения в Колумбийской инженерии и лидера Центра функциональных наноматериалов и био -наноматериалов в Брукхейвенской национальной лаборатории.
Новая техника производства также может способствовать постоянным усилиям по разработке систем ИИ, которые непосредственно вдохновлены естественным интеллектом.
«3D-электронные архитектуры, которые имитируют естественную трехмерную структуру мозга, могут оказаться чрезвычайно более эффективными для использования систем искусственного интеллекта, имитирующих мозг, чем существующие 2D-архитектуры»,-сказал Банг. Исследователи подробно описали свои выводы 28 марта в журнале Наука достижения.
От травления до складывания
Обычная электроника полагается на плоскую схему. Чтобы помочь микрочипам становиться более мощным, исследователи по всему миру экспериментируют с подходами к их построению в трех измерениях.
Тем не менее, текущие методы производства электроники носят сверху вниз по своей природе-кусок материала постепенно разрушается, например, электронным пучком, пока не будет достигнута желаемая структура, как скульптировать блок камня. Эти методы столкнулись с проблемами, изготовленными 3D-устройствами, когда речь заходит о создании сложных структур и выполнении этого экономически эффективным образом. Например, они сталкиваются с проблемами при сборке нескольких слоев схемы, которые правильно складываются. «В течение сотен шагов во время производства накапливаются ошибки, которые являются непомерными с точки зрения производительности и затрат», — сказал Ганг.
Концептуально другой способ построения трехмерной системы находится снизу вверх, где многие компоненты сами входят в сложные структуры. В настоящее время исследователи инженерных исследователей Columbia разработали новый биологически вдохновленный снизу вверх, чтобы 3D Electronics создала себя. Ключом к новой технике является способ, которым пряди ДНК могут складываться в формы-так называемые оригами. Эти строительные блоки, называемые рамами, затем используются для сборки крупномасштабных трехмерных структур, называемых рамками, с наноразмерной точностью.
ДНК изготовлена из струн из четырех различных видов молекул, известных под буквами A, T, C и G. Они придерживаются друг друга очень специфическими способами — A TO T, и C TO G. При разработке нескольких молекул с правильными последовательностями исследователи могут получить длинные нити ДНК, чтобы сложить себя в 2D или 3D -формы. Фрагменты ДНК скреплены на этих прядях, затем удерживают сложенные конструкции на месте.
Создание прототипа
В новом исследовании первый автор исследования Аарон Майкельсон, ученый -штат в Брукхейвенском Национальном лабораторном центре функциональных наноматериалов, который ранее был доктором философии. Студент в группе Банга, наряду с бандой и их коллегами, вкладывали массивы золотых квадратов на поверхности, на которые они могли прикрепить короткие куски ДНК. Эти молекулы служили якорями, к которым они могли закрепить восьмисторонние алмазные октаэдрические рамы ДНК, которые самостоятельно собираются в 3D-каркасы в этих специфических местах поверхности.
«Эти золотые массивы с закрепленными цепями ДНК способствуют росту 3D -каркасов ДНК на обозначенных областях в желаемых паттернах и ориентациях, что позволяет нам устанавливать и интегрировать эту ДНК на электронную пластину», — сказала Ганга.
Исследователи в сотрудничестве с группой профессора Вальда Прибьяга в Университете Миннесоты, затем покрыли эти ДНК -каркасы оксидом кремния, протянули их полупроводниковым оксидом олова и подключенными электродами с каждой структурой. Результат — датчики света, которые реагируют электрически при освещении.
«Мы продемонстрировали, что мы не только можем создавать 3D -структуры из ДНК, но и интегрировать их в микрочипы как часть рабочего процесса того, как изготавливаются электронные устройства», — сказала Ганг. «Мы можем разместить тысячи этих структур на определенных участках на кремниевые пластины масштабируемым способом. Это демонстрирует, что мы можем кардинально изменить то, как мы изготовляем сложные 3D -электронные устройства».
«В течение долгого времени мы работали над тем, какие явления могут помочь построить самооборное электронное устройство»,-сказал Ганг. «В настоящее время интересно продемонстрировать эти футуристические идеи, чтобы фактически сделать операционное устройство, используя эти процессы изготовления снизу вверх».
В будущем Ганг и его коллеги хотели бы использовать свой новый метод для создания более сложных электронных устройств, используя более одного материала. «Следующая мечта — это создание 3D -схемы», — сказал он.
Больше информации:
Аарон Майкельсон и др., Масштабируемое изготовление 3D-наноструктурированных электронных устройств, интегрированных с чипом, посредством программируемой сборки ДНК, Наука достижения (2025). Два: 10.1126/sciadv.adt5620. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt5620
Информация журнала:
Науки о достижениях, предоставленных Школой инженерии и прикладных наук Колумбийского университета
Цитирование: ДНК-каркасы позволяют самооборные 3D-электронные устройства (2025, 29 марта), извлеченные 31 марта 2025 года из этого документа, подлежат авторским правам. Помимо каких -либо справедливых сделок с целью частного исследования или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только для информационных целей.
