DNA fabrica componentes eletrônicos 3D de baixo para cima

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/05/2025

Um cristal de DNA é cultivado em um local preciso (cerca de 1.000 cristais em almofadas de 5 micrômetros são mostrados no painel esquerdo), mineralizado em sílica, modelado volumetricamente com um semicondutor e então recebe os eletrodos (painel central). Milhares desses componentes 3D podem ser fabricados em paralelo usando essa abordagem de fabricação de baixo para cima.
[Imagem: Center for Functional Nanomaterials/Columbia]

Microeletrônica com DNA

A equipe dos professores Aaron Michelson (Laboratório Nacional Brookhaven) e Oleg Gang (Universidade de Colúmbia) vêm há anos aprimorando técnicas de construção de nanoestruturas usando DNA - mais conhecidas como origami de DNA -, o que já rendeu vidros 4 vezes mais forte e 5 vezes mais leve que o aço e até um curioso diamante de ouro.

Agora eles decidiram usar suas técnicas no campo da microeletrônica, usando a construção com DNA para fabricar chips eletrônicos 3D de baixo para cima.

É certo que já existem componentes eletrônicos 3D, mas a eletrônica ainda depende em sua imensa maioria de circuitos planos. E as técnicas atuais da microeletrônica são de cima para baixo por natureza: Uma pastilha de material semicondutor é gradualmente erodida, por exemplo por um feixe de elétrons, até que a estrutura desejada emirja, como um escultor faz sua obra a partir de um bloco de pedra.

Não temos mais componentes eletrônicos 3D porque esses métodos não são talhados para eles. Por exemplo, é complicado montar múltiplas camadas de componentes eletrônicos e garantir que elas fiquem corretamente empilhadas. "Ao longo de centenas de etapas da produção, acumulam-se erros que são proibitivos do ponto de vista de desempenho e de custo," disse Gang.

É aí que entra a técnica de fabricação com DNA.

Em cima, esquema da fabricação de componentes eletrônicos com origami de DNA. Embaixo, micrografias dos componentes.
[Imagem: Aaron Michelson et al. - 10.1126/sciadv.adt5620]

Chips feitos com DNA

Uma das grandes vantagens do uso do DNA é que se trata de uma automontagem - a estrutura se constrói sozinha, de baixo para cima, o que é muito diferente da usinagem subtrativa, que trabalha por extração de material, desperdiçando a maior parte dele.

Como sempre, a chave da técnica está no modo como os filamentos de DNA podem se dobrar em formas - o chamado origami. O DNA é composto por cadeias de quatro tipos diferentes de moléculas, conhecidas pelas letras A, T, C e G. Elas se unem umas às outras de maneiras altamente específicas - A a T e C a G. A técnica consiste então em projetar múltiplas moléculas com as sequências adequadas para que longas cadeias de DNA se dobrem nas formas 2D ou 3D desejadas.

Esses blocos de construção, chamados quadros, são então usados para montar estruturas 3D de grande escala com precisão em nanoescala. Trechos de DNA são finalmente "grampeados" nessas fitas para manter as formas dobradas no lugar.

Michelson começou depositando matrizes de quadrados de ouro em uma superfície, e então adicionando pedaços cuidadosamente projetados de DNA. As moléculas serviram como âncoras às quais foram fixadas estruturas octaédricas também de DNA, semelhantes a diamantes de oito lados, que se automontam, formando estruturas tridimensionais nos locais precisos da superfície daquilo que virá a ser o chip.

"Essas matrizes de ouro com fitas de DNA ancoradas promovem o crescimento de estruturas de DNA 3D em áreas designadas em padrões e orientações desejados, o que nos permite estabelecer e integrar esse DNA em uma pastilha eletrônica," disse o professor Gang.

Detalhes da fabricação de cada componente 3D.
[Imagem: Aaron Michelson et al. - 10.1126/sciadv.adt5620]

Próximo sonho

Os passos finais consistem no revestimento das estruturas de DNA com os semicondutores (óxido de silício e óxido de estanho) e a conexão dos eletrodos a cada estrutura. Nesta primeira demonstração de prova de conceito, a equipe fabricou sensores de luz similares a células solares - componentes que respondem eletricamente quando iluminados.

"Nós demonstramos que não apenas podemos criar estruturas 3D a partir do DNA, mas também integrá-las em microchips como parte do fluxo de trabalho da fabricação de componentes eletrônicos," disse Gang. "Nós podemos colocar milhares dessas estruturas em locais específicos em pastilhas de silício de forma escalável. Isso demonstra que podemos mudar drasticamente o modo como fabricamos dispositivos eletrônicos 3D complexos."

A equipe já se prepara para construir componentes eletrônicos mais complexos, inclusive com o uso de múltiplos materiais. "O próximo sonho é criar circuitos 3D," concluiu Gang.

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