Dispositivo nanoestructurado 3D integrado en ChIP fabricado con autoensamblaje de ADN (panel izquierdo). Se cultiva un cristal de ADN en una ubicación de sustrato designada (aproximadamente 1000 cristales en almohadillas de 5 μm se muestran en un panel derecho), luego se mineralizan a sílice y se plantilla volumétricamente con un material semiconductor antes de unir los electrodos (panel central). El dispositivo resultante exhibe una respuesta eléctrica cuando se expone a la luz. Miles de estos dispositivos 3D se pueden cultivar en paralelo utilizando este enfoque de fabricación de abajo hacia arriba. Crédito: Centro de nanomateriales funcionales
Los investigadores de Columbia Engineering han utilizado por primera vez el ADN para ayudar a crear dispositivos operativos electrónicos 3D con características del tamaño de un nanométrico.
“Pasar del 2D al 3D puede aumentar drásticamente la densidad y la potencia informática de la electrónica”, dijo el autor correspondiente Oleg Gang, profesor de ingeniería química y de física aplicada y ciencia de materiales en Columbia Engineering y líder del Centro de Nanomateriales Funcionales ‘Grupo de nanomateriales biografía en el Laboratorio Nacional de Brookhaven.
La nueva técnica de fabricación también podría contribuir al esfuerzo continuo para desarrollar sistemas de IA que se inspiren directamente en la inteligencia natural.
“Las arquitecturas electrónicas 3D que imitan la estructura 3D natural del cerebro pueden resultar enormemente más efectivas para correr los sistemas de inteligencia artificial que imitan el cerebro que las arquitecturas 2D existentes”, dijo Gang. Los investigadores detallaron sus hallazgos el 28 de marzo en la revista Science Advances.
Desde el grabado hasta el plegado
La electrónica convencional depende de circuitos planos. Para ayudar a los microchips a crecer más poderosos, los investigadores de todo el mundo están experimentando con enfoques para construirlos en tres dimensiones.
Sin embargo, las técnicas de fabricación de electrónica actual son de arriba hacia abajo en la naturaleza: una pieza de material se erosiona gradualmente, por ejemplo, por un haz de electrones, hasta que se logra la estructura deseada, como esculpir un bloque de piedra. Estos métodos han encontrado problemas para fabricar dispositivos 3D cuando se trata de crear estructuras complejas y hacerlo de manera rentable. Por ejemplo, enfrentan desafíos en el ensamblaje de múltiples capas de circuitos que se acumulan correctamente. “En el transcurso de cientos de pasos durante la producción, se acumulan errores que son prohibitivos desde el punto de vista del rendimiento y el costo”, dijo Gang.
Una forma conceptualmente diferente de construir un sistema 3D es de abajo hacia arriba, donde muchos componentes se autoensamblan en estructuras complejas. Ahora, los investigadores de la ingeniería de Columbia han desarrollado una nueva forma de abajo hacia arriba de inspiración biológica para que la electrónica 3D se construya. La clave detrás de la nueva técnica es la forma en que los hilos de ADN pueden doblarse en formas, con un origami. Estos bloques de construcción, llamados marcos, se utilizan para ensamblar estructuras 3D a gran escala, llamadas marcos, con precisión a nanoescala.
El ADN está hecho de cuerdas de cuatro tipos diferentes de moléculas, conocidas por las letras A, T, C y G. Estos se adhieren entre sí de manera muy específica: A a T y C a G. al diseñar múltiples moléculas con las secuencias correctas, los investigadores pueden obtener largas hilos de ADN para doblarse en formas 2D o 3D. Los fragmentos de ADN engrapados en estos hilos y luego sostienen los diseños plegados en su lugar.
Construyendo el prototipo
En el nuevo estudio, el primer autor del estudio Aaron Michelson, científico del personal del Centro de Nanomateriales Funcionales de Brookhaven Laboratory, que anteriormente fue Ph.D. Estudiante de Gang’s Group, junto con Gang y sus colegas, depositó matrices de cuadrados de oro en una superficie, en la que podían unir piezas cortas de ADN. Estas moléculas sirvieron como anclajes a las que podrían sujetar a los marcos de ADN octaédricos de diamantes de ocho lados que se autoensamblan en marcos 3D en estas ubicaciones de superficie específicas.
“Estas matrices de oro con hilos de ADN anclados promueven el crecimiento de los andamios de ADN 3D en las áreas designadas en los patrones y orientaciones deseados, lo que nos permite establecer e integrar este ADN en una oblea electrónica”, dijo Gang.
Los investigadores, en colaboración con el Grupo del Profesor Vald Pribiag en la Universidad de Minnesota, revisaron estos andamios de ADN con óxido de silicio, los ataron con el óxido de estaño semiconductor y los electrodos conectados a cada estructura. El resultado: sensores de luz que responden eléctricamente cuando se iluminan.
“Hemos demostrado que no solo podemos crear estructuras 3D a partir del ADN, sino que las integrar en microchips como parte del flujo de trabajo de cómo se fabrican los dispositivos electrónicos”, dijo Gang. “Podemos colocar miles de estas estructuras en sitios específicos en obleas de silicio de manera escalable. Esto demuestra que podemos cambiar drásticamente cómo fabricamos dispositivos electrónicos 3D complejos”.
“Durante mucho tiempo, hemos trabajado en lo que los fenómenos podrían ayudar a construir un dispositivo electrónico autoensamblable”, dijo Gang. “Es emocionante ahora demostrar estas ideas futuristas, para hacer un dispositivo operativo utilizando estos procesos de fabricación ascendentes”.
En el futuro, Gang y sus colegas les gustaría usar su nuevo método para crear dispositivos electrónicos más complejos que usan más de un material. “El próximo sueño es crear circuitos 3D”, dijo.
Más información: Aaron Michelson et al, fabricación escalable de dispositivos electrónicos nanoestructurados 3D integrados en ChIP a través de un ensamblaje programable para ADN, Ciencias Avances (2025). Doi: 10.1126/sciadv.adt5620. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt5620
Proporcionado por la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia
Cita: los andamios de ADN permiten los dispositivos electrónicos 3D autoensamblajones (2025, 29 de marzo) Recuperado el 29 de marzo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-03-dna-scoffolds-enable-3d-electronic.html
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