Imaginați-vă că ați putea „tipări” un zgârie-nori minuscul folosind ADN în loc de oțel. Cercetătorii de la Columbia și Brookhaven fac exact asta, construiesc structuri 3D complexe la scară nanometrică, folosindu-se de modul previzibil în care se pliază firele de ADN.

Metoda lor revoluționară folosește blocuri modulare, asemănătoare voxelilor, și un algoritm inteligent numit MOSES, pentru a fabrica dispozitive nanoscopice în paralel, cu aplicații ce variază de la computere optice până la suporturi biologice.

Spre deosebire de litografia tradițională sau imprimarea 3D, acest proces de auto-asamblare are loc complet în apă, deschizând noi perspective pentru nanofabricare, mai rapidă și mai prietenoasă cu mediul.

Un Empire State Building nanometric

Când a fost construit Empire State Building, fiecare dintre cele 102 etaje a fost ridicat piesă cu piesă, pentru a deveni timp de decenii cel mai înalt zgârie-nori din lume. În mod similar, Oleg Gang și echipa sa de la Columbia creează dispozitive minuscule, alcătuite din blocuri nanometrice care se asamblează singure, ridicând structuri complexe la scară nanometrică.

„Acum putem construi structuri 3D complexe din nanocomponente auto-asamblate, o versiune la scară nanometrică a Empire State Building”, explică Gang, profesor la Columbia și lider al Centrului pentru Nanomateriale Funcționale de la Brookhaven.

Aceste materiale 3D pot fi folosite în domenii diverse: de la manipularea luminii, calcul neuromorf, până la reactoare biochimice sau structuri catalitice.

Auto-asamblare în apă: fabricare paralelă și sustenabilă

Tehnicile convenționale de microfabricare, precum fotolitografia, sunt lente și limitate la structuri 2D. Imprimarea 3D, deși avansează, încă nu poate produce cu precizie la nivel nanometric.

În schimb, metoda echipei lui Gang folosește ADN-ul pentru a conduce procesul de auto-asamblare de jos în sus, în apă, cu multiple structuri care se formează simultan. Rezultatul este un proces mult mai rapid, cu costuri și impact ecologic reduse.

De exemplu, recent au creat senzori de lumină integrați pe cipuri, prin „creșterea” unor schelete ADN pe suprafața microcipului și acoperirea lor cu materiale fotosensibile.

Algoritmul MOSES: CAD-ul nano

O provocare majoră în designul acestor structuri este crearea secvențelor corecte de ADN pentru milioane de piese.

Soluția: algoritmul MOSES (Mapping Of Structurally Encoded aSsembly), un fel de CAD pentru nano-asamblare. MOSES descompune o structură complexă în blocuri de ADN (voxeli) care se pot lega în mod repetitiv pentru a forma structura dorită.

Acești voxeli sunt forme octaedrice mici, fiecare cu conectori ce permit legarea modulară a componentelor. În interiorul lor pot fi încorporate nanoparticule de aur, materiale optice sau alte componente pentru a oferi proprietăți speciale.

Un viitor nano în construcții și tehnologie

Gang și colaboratorii săi speră să dezvolte în continuare această platformă, având în vedere proiecte ambițioase precum circuite 3D ce imită complexitatea creierului uman.

„Suntem aproape să stabilim o platformă de fabricație 3D la scară nanometrică, o nouă generație de imprimare 3D, dar pe bază de auto-asamblare ADN, care permite producția paralelă în masă”, concluzionează Gang.

Sursa: Science Daily