A fabricação de microchips com 50 bilhões de transistores em um chip do tamanho de uma unha exige métodos de produção com precisão nanométrica. Isso envolve a aplicação de filmes finos em camadas, seguidos de processos de gravação, deposição ou fotolitografia para criar os padrões de semicondutores, isolantes, metais e outros materiais que compõem os dispositivos minúsculos dentro do chip.
Esse processo depende fortemente de solventes que transportam e depositam materiais em cada camada—solventes que podem ser difíceis de manusear e tóxicos para o meio ambiente.
Agora, pesquisadores liderados por Fiorenzo Omenetto, Professor Frank C. Doble de Engenharia na Universidade Tufts, desenvolveram uma abordagem de nanofabricação que utiliza água como solvente principal, tornando o processo mais compatível com o meio ambiente e abrindo portas para o desenvolvimento de dispositivos que combinam materiais inorgânicos e biológicos. A pesquisa foi publicada na revista Nature Nanotechnology.
O desafio de usar água como solvente é que os materiais com os quais ela entra em contato durante a fabricação são frequentemente hidrofóbicos, ou seja, repelem água. Similar à forma como a água se acumula sobre a superfície bem encerada de um carro, a superfície de uma pastilha de silício ou outro material pode resistir a ser coberta uniformemente com um material à base de água.
Omenetto e sua equipe no Silklab da Universidade Tufts descobriram que o bloco de construção proteico da seda comum, chamado fibroína de seda, pode melhorar significativamente a capacidade da água de cobrir uniformemente praticamente qualquer superfície, dependendo da quantidade de fibroína adicionada.
Outros surfactantes que alteram a propriedade da água são usados na produção comercial para resolver esse problema, mas a fibroína de seda pode ser usada em quantidades significativamente menores, produz resultados de qualidade superior e é biologicamente e ambientalmente amigável.
“Isso abre uma grande oportunidade na fabricação de dispositivos,” disse Omenetto. “Não só é possível depositar materiais e metais solúveis em água no silício, mas em todos os tipos de polímeros. Podemos até depositar e imprimir moléculas biológicas em praticamente qualquer superfície com precisão nanométrica.”
Omenetto e sua equipe já haviam demonstrado essa capacidade em estudos anteriores, criando um transistor híbrido de silício e biológico que pode responder ao ambiente, transitar entre processamento digital e analógico, e até mesmo ser um precursor de dispositivos neuromórficos (semelhantes ao cérebro).
Moléculas biológicas têm sido usadas em combinação com eletrônicos para detectar glicose no sangue, anticorpos indicando infecção e fragmentos de DNA para identificar mutações, por exemplo, mas integrá-las em dispositivos nanofabricados comuns, como microchips, pode permitir o design da próxima geração de biossensores e processadores que respondem à saúde e ao meio ambiente.
Os nanodispositivos demonstrados no estudo atual utilizando processamento à base de água incluem muitos componentes que estão em uso generalizado hoje em computadores, smartphones, células solares e outras tecnologias:
- Transistores de óxido de índio gálio zinco usados principalmente em tecnologias de display, eletrônicos flexíveis, detecção de imagem e telas sensíveis ao toque
- Isolantes de óxido de alumínio usados em transistores para controlar o fluxo de elétrons
- Filmes de óxido de níquel usados em filtros ópticos, células solares e displays transparentes
- Filmes de perovskita usados em células solares de alta eficiência, diodos emissores de luz, detectores de luz, lasers e armazenamento de memória
O desempenho desses componentes foi compatível com o de seus equivalentes desenvolvidos comercialmente. De fato, a fabricação de microchips e outros nanodispositivos à base de água pode ser facilmente integrada no processo de fabricação atual.
