Nuova tecnica più sostenibile per la produzione di microchip e altri dispositivi su scala nanometrica. La produzione basata sull'acqua potrebbe sostituire l'uso di sostanze chimiche tossiche e aprire la porta a dispositivi ibridi elettronici-biologici
La lavorazione a base acqua svolge un ruolo cruciale nell’alta tecnologia, in particolare nell’elettronica, nelle scienze dei materiali e nelle scienze della vita, con importanti implicazioni nello sviluppo di dispositivi affidabili di alta qualità, efficienza di fabbricazione, sicurezza e sostenibilità. Su scala micro e nanometrica, l’acqua costituisce un ponte tra i sistemi biologici e tecnologici. Inserire 50 miliardi di transistor in un microchip delle dimensioni di un'unghia è un'impresa che richiede metodi di produzione con una precisione nanometrica: stratificazione di pellicole sottili, quindi incisione, deposito o utilizzo della fotolitografia per creare i modelli di semiconduttori, isolanti, metalli e altri materiali che compongono i minuscoli dispositivi funzionanti all'interno del chip.
Il processo si basa in larga misura sull'uso di solventi che trasportano e depositano materiali in ogni strato, solventi che possono essere difficili da gestire e tossici per l'ambiente.
Ora i ricercatori guidati dal dottor Fiorenzo Omenetto (1), Frank C. Doble Professor of Engineering alla Tufts, hanno sviluppato un approccio di nanofabbricazione che utilizza l'acqua come solvente primario, rendendolo più compatibile con l'ambiente e aprendo la porta allo sviluppo di dispositivi che combinano materiali inorganici e biologici. La ricerca è riportata sulla rivista Nature Nanotechnology (2).
La sfida nell'uso dell'acqua come solvente è che i materiali con cui entra in contatto durante la produzione sono spesso idrofobi, ovvero respingono l'acqua. Similmente al modo in cui l'acqua forma delle gocce su un'auto ben cerata, la superficie di un wafer di silicio o di un altro materiale può resistere al rivestimento uniforme con un materiale a base d'acqua.
Il professor Omenetto e il suo team del Tufts University Silklab (3) hanno scoperto che l'elemento proteico costitutivo della seta comune, la fibroina della seta, può migliorare significativamente la capacità dell'acqua di coprire uniformemente praticamente qualsiasi superficie, a seconda della quantità di fibroina aggiunta.
Per risolvere questo problema, nella produzione commerciale vengono utilizzati altri tensioattivi che modificano le proprietà dell'acqua, ma la fibroina della seta può essere utilizzata in quantità notevolmente inferiori, produce risultati di qualità superiore ed è biologicamente ed ecologicamente compatibile.
«Questo apre un'enorme opportunità nella fabbricazione di dispositivi», ha raccontato Omenetto. «Non solo si possono depositare materiali e metalli idrosolubili sul silicio, ma su tutti i tipi di polimeri. Possiamo persino depositare e stampare molecole biologiche su praticamente qualsiasi superficie con precisione nanometrica».
Omenetto e il suo team avevano dimostrato questa capacità in studi precedenti, creando un hybrid silicon-biological transistor (4) in grado di rispondere all'ambiente, di passare dall'elaborazione digitale a quella analogica e potrebbe persino essere un precursore di dispositivi neuromorfici (simili al cervello).
Ad esempio, le molecole biologiche sono state utilizzate insieme all'elettronica per rilevare il glucosio nel sangue, gli anticorpi che indicano infezioni e i frammenti di DNA per identificare le mutazioni, ma la loro integrazione in comuni dispositivi nanofabbricati come i microchip potrebbe consentire la progettazione della prossima generazione di biosensori e processori che rispondono alla salute e all'ambiente.
I nanodispositivi dimostrati nello studio attuale che utilizzano l'elaborazione a base di acqua includono molti componenti che sono ampiamente utilizzati oggi nei computer, negli smartphone, nelle celle solari e in altre tecnologie:
- Transistor indio-gallio-ossido di zinco utilizzati principalmente nelle tecnologie di visualizzazione, nell'elettronica flessibile, nel rilevamento delle immagini e nei touch screen
- Isolanti in ossido di alluminio utilizzati nei transistor per controllare il flusso di elettroni
- Pellicole di ossido di nichel utilizzate nei filtri ottici, nelle celle solari e nei display trasparenti, e
- Film di perovskite utilizzati in celle solari ad alta efficienza, diodi ad emissione luminosa, rilevatori di luce, laser e sistemi di archiviazione di memoria
Le prestazioni di questi componenti erano pari a quelle delle loro controparti sviluppate commercialmente. Infatti, la produzione a base d'acqua di microchip e altri nanodispositivi può essere facilmente sostituita nell'attuale processo di produzione, hanno affermato i ricercatori.
Riferimenti:
(2) Silk fibroin as a surfactant for water-based nanofabrication
(3) Silklab
(4) Hybrid Transistors with Silk Protein Set the Stage for Integration of Biology and Microelectronics
Descrizione foto: Fiorenzo Omenetto. - Credit: Tufts University.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New, More Sustainable Method for Manufacturing Microchips and Other Nanoscale Devices