Veijo Hänninen

Kaikenlaista kooten

Elektroniikkaa on perinteisesti koottu erilaisista komponenteista ja materiaaleista. Mutta nykyään kootaan kvasikiteitä, useita alkuaineita sisältäviä puolijohdemusteita sekä luodaan tulevaisuuden moduuleja, jotka kykenevät kokoamaan keskenään erilaisia elektronisia laitteita ja ylläpitämään niiden toimivuuden ja tämä kaikki ympäristöarvoja huomioiden.

Michiganin yliopistossa toiminut kansainvälinen ryhmä nanoinsinöörejä on luonut kvasikiteen – tieteellisesti kiehtovan ja teknisesti lupaavan materiaalirakenteen – nanopartikkeleista käyttämällä DNA:ta eli elämää koodaavaa molekyyliä.

Toisin kuin tavalliset kiteet, joita määrittelee toistuva rakenne, kvasikiteiden kuviot eivät toistu. Atomeista kootulla kvasikiteillä voi olla poikkeuksellisia ominaisuuksia: esimerkiksi ne absorboivat lämpöä ja valoa eri tavalla, osoittavat epätavallisia elektronisia ominaisuuksia, kuten suprajohtavuutta tai niiden pinnat ovat erittäin kovia tai erittäin liukkaita.

Nanomittakaavaista kokoonpanoa tutkivat insinöörit pitävät nanohiukkasia usein eräänlaisena "suunnittelijoiden atomeina", jotka tarjoavat uuden tason synteettisten materiaalien hallintaan.

Yksi haasteista on ohjata hiukkaset kerääntymään halutuiksi rakenteiksi, joilla on hyödyllisiä ominaisuuksia ja rakentaessaan tätä ensimmäistä DNA:lla koottua kvasikidettä tiimi astui uudelle rajalle nanomateriaalien suunnittelussa.

Epäjärjestys vahvistaa

"Onnistuneen kolloidisten kvasikiteiden suunnittelun ansiosta olemme saavuttaneet merkittävän virstanpylvään nanotieteen alalla", sanoi Liz-Marzán, tutkimuksen toinen kirjoittaja. "Työmme ei ainoastaan valaise monimutkaisten nanomittakaavan rakenteiden suunnittelua ja luomista, vaan myös avaa mahdollisuuksia kehittyneille materiaaleille ja innovatiivisille nanoteknologian sovelluksille."

Rakenne muistuttaa sarjaa samankeskisiä ympyröitä olevia ruusukkeita, joiden 10-sivuiset muodot luovat 12-kertaisen symmetrian 2D-kerroksissa, jotka pinoutuvat periodillisesti. Tätä pinottua rakennetta kutsutaan aksiaaliseksi kvasikiteeksi.

Mutta toisin kuin useimmat aksiaaliset kvasikiteet, uuden kvasikiteen kerrosten laatoituskuvio ei toistu samalla tavalla kerroksesta toiseen. Sen sijaan merkittävä osa laatoista on erilaisia, satunnaisella tavalla – ja tämä pieni määrä epäjärjestystä vain lisää vakautta.

Kestävämpää puolijohdetuotantoa

Puolijohteiden tuotanto on erittäin paljon lämpöenergiaa vaativa prosessi.

Uusi puolijohtava materiaali, monen alkuaineen muste voisi tehdä puolijohteiden valmistuksesta huomattavasti vähemmän lämpöä vaativan.

Berkeley Labin ja UC Berkeleyn tutkijoiden kehittämä "multielement-ink" on ensimmäinen "korkean entropian" puolijohde, jota voidaan käsitellä alhaisemmissa valmistuslämpötilassa tai jopa huonelämpötilassa.

"Perinteinen tapa valmistaa puolijohderakenteita on energiaintensiivinen ja yksi suurimmista hiilidioksidipäästöjen lähteistä", sanoi tutkimuksen vanhempi kirjoittaja Peidong Yang. "Uusi menetelmämme valmistaa puolijohteita voisi tasoittaa tietä kestävämmälle puolijohdeteollisuudelle."

Tutkimustyö hyödyntää kahta ainutlaatuista puolijohtavien materiaalien perhettä: kovat metalliseokset, jotka on valmistettu korkean entropian puolijohteista; ja pehmeä, joustava materiaali, joka on valmistettu kiteisistä halogenidiperovskiiteistä.

Korkean entropian materiaalit ovat kiinteitä aineita, jotka on valmistettu viidestä tai useammasta eri kemiallisesta alkuaineesta, jotka koostuvat itsestään lähes yhtä suurissa suhteissa yhdeksi järjestelmäksi. Useiden vuosien ajan tutkijat ovat halunneet käyttää niitä kehittääkseen puolijohtavia materiaaleja, jotka koostuvat itsekseen minimaalisella energiankulutuksella.

"Mutta korkean entropian puolijohteita ei ole tutkittu läheskään samassa määrin. Työmme voisi auttaa merkittävästi täyttämään tämän ymmärryksen aukon", sanoi jatko-opiskelijatutkija Yuxin Jiang.

Vaikka tavanomaiset korkean entropian metalliseosmateriaalit vaativat paljon vähemmän energiaa kuin piin prosessointi, ne vaativat silti erittäin korkeita lämpötiloja, yli 1000 Celsius-astetta. Korkean entropian materiaalien lisääminen teolliseen tuotantoon on haastavaa tämän valtavan energiapanoksen vuoksi.

Perovskiitit peliin

Tämän esteen voittamiseksi Yang ja tiimi hyödynsivät hyvin tutkitun aurinkokennomateriaalin ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka ovat kiehtoneet tutkijoita useiden vuosien ajan: halogenidiperovskiitit.

Perovskiitit on helppo käsitellä liuoksesta alhaisessa tuotantolämpötilassa - huoneenlämpötilasta noin 150 celsiusasteeseen. Tällaiset prosessointilämpötilat voivat jonain päivänä vähentää dramaattisesti puolijohdevalmistajien energiakustannuksia.

Uudessa tutkimuksessa Yang ja tiimi käyttivät hyväkseen tätä alhaisempaa energian tarvetta syntetisoidakseen korkean entropian halogenidiperovskiitin yksittäiskiteitä liuoksesta huoneenlämpötilassa tai matalassa lämpötilassa (80 celsiusastetta).

Ionisidoksisen luonteensa vuoksi halogenidiperovskiittiset kiderakenteet vaativat huomattavasti vähemmän energiaa muodostuakseen verrattuna muihin materiaalijärjestelmiin, Yang selittää tutkimuslaitoksensa tiedotteessa.

Tehdyt kokeet vahvistivat, että tuloksena saadut oktaedri- ja kuboktaedriset kiteet ovat korkean entropian halogenidiperovskiittisia yksittäiskiteitä: yksi sarja koostuu viidestä elementistä (SnTeReIrPt tai ZrSnTeHfPt) ja toinen sarja kuudesta elementistä (SnTeReOsIrPtPt tai fRePtPt). Kiteiden halkaisija on noin 30–100 mikrometriä.

Matalan/huoneen lämpötilan tekniikka tuottaa yksikiteisiä puolijohteita muutamassa tunnissa liuoksen sekoittamisesta ja saostamisesta, paljon nopeammin kuin perinteiset puolijohteiden valmistustekniikat.

Legoja kokoamaan

"Intuitiivisesti näiden puolijohteiden valmistaminen on kuin pinoaisi oktaedrisen muotoisia molekyylisiä "Legoja" suurempiin oktaedrisiin yksikiteisiin", sanoo Yang.

"Kuvittelemalla, että jokainen näistä yksittäisistä molekyyli-Legoista emittoi eri aallonpituuksilla, voidaan periaatteessa suunnitella puolijohdemateriaali, joka emittoisi mielivaltaisen värin valitsemalla erilaisia molekyyli-oktaedrisiä Legoja", hän jatkaai.

Vakaus ympäristön lämpötilassa on pitkään ollut ongelma kaupallisesti valmiiden halogenidiperovskiittien edistämisessä, mutta uuden tutkimuksen pöytäkokeissa korkean entropian "monielementtimuste" halogenidiperovskiitti yllätti tutkimusryhmän vaikuttavalla ympäristöilman stabiiliudella, vähintään kuusi kuukautta.

Yang sanoo, että monielementtimusteella on useita potentiaalisia sovelluksia, erityisesti värisäädettävänä ledi-valona tai muuna kiintoaineisena valorakenteena tai lämpösähköisenä materiaalina hukkalämmön talteenottoon. Lisäksi materiaali voisi mahdollisesti toimia ohjelmoitavana komponenttina optisessa tietokonelaitteessa, joka käyttää valoa datan siirtämiseen tai tallentamiseen.

”Korkean entropian halogenidiperovskiittinen puolijohdekiteemme huonelämpötilan ja matalan lämpötilan menetelmillään voidaan liittää elektroniikkalaitteeseen tuhoamatta muita tarpeellisia kerroksia, mikä mahdollistaa elektronisten laitteiden helpomman suunnittelun sekä korkean entropian materiaalien laajemman käytön elektronisissa laitteissa", sanoo toinen kirjoittaja Maria Folgueras.

"Voidaan kuvitella, että jokainen näistä oktaedrisistä Legoista voisi kuljettaa jonkinlaista "geneettistä" informaatiota, aivan kuten DNA-emäsparit kantavat meidän geneettistä tietoamme, Yang sanoi. "Olisi aika kiehtovaa, jos jonain päivänä voisimme koodata ja purkaa nämä molekyylitason Lego-puolijohteet informaatiotieteen sovelluksiin."

Seuraavaksi tutkijat aikovat jatkaa kestävien puolijohdemateriaalien suunnittelua puolijohdevalaistukseen ja näyttöjen sovelluksiin.

Kestävän kehityksen elektroniikkaa

Lokakuussa Advanced Materials -lehdessä julkaistussa artikkelissa Chemnitzin teknillisen yliopiston tutkijat osoittavat, kuinka lähellä ja tarpeellista on siirtyminen elektroniikankin osalta kestävän elämän teknologiaan, joka perustuu itsekokoavien mikroelektronisten moduulien morfogeneesiin.

Kyseinen tutkijoiden perspektiivikatsaus osoittaa, kuinka uudenlainen korkean informaatiosisältöinen Elävän Muodon Teknologia on nyt käden ulottuvilla ja se perustuu mikrorobottimaisiin elektronisiin moduuleihin, joita he kutsuvat SMARTLETeiksi ja jotka pystyvät pian kokoamaan itsensä monimutkaisiksi keinotekoisiksi organismeiksi.

Tutkimus kuuluu uuteen mikroelektronisen morfogeneesin alaan ja on muodon luomista mikroelektronisen ohjauksen alaisena. Se perustuu Chemnitzin tutkijoiden aikaisempien vuosien työhön rakentaa itsetaittuvia ja itseliikkuvia ohutkalvoisia elektroniikkamoduuleja, jotka kantavat nyt pientä piisirua laskostensa välissä, mikä lisää valtavasti informaation käsittelykykyä.

Jokaiseen moduuliin voidaan nyt tallentaa riittävästi informaatiota monimutkaisten toimintojen lisäksi valmistusreseptien koodaamiseksi puhdastilassa, jotta moduulit voivat kopioitua ja kehittyä solujen tapaan, mutta turvallisesti, koska lisääntyminen tapahtuu ihmisen hallitseman puhdastilan kautta. Lisäksi sirut voivat tarjota neuromorfisia oppimisominaisuuksia, joiden avulla ne voivat parantaa suorituskykyään käytön aikana.

Sähköinen itsetunto itsekokoonpanon aikana

Toinen keskeinen erityinen piirre näiden moduuleille on itsekokoonpanossa, joka perustuu yhteensopiviin fyysisiin viivakoodeihin, on se, että moduulien välillä voidaan saavuttaa sähkö- ja nesteliitännät.

Niitä voidaan sitten käyttää, jotta perustalla olevat elektroniset sirut ovat "tietoisia" kokoonpanon tilasta ja mahdollisista virheistä, jolloin ne voivat ohjata korjauksia, korjata virheellisiä kokoonpanoja, indusoida purkamista ja muodostaa yhteisiä toimintoja, jotka kattavat monia moduuleja.

Tällaisia toimintoja ovat muun muassa laajennettu tiedonsiirto (antennit), tehonkeruu ja -jakelu, kaukokartoitus, materiaalin uudelleenjako jne.

Jopa monimutkaisten organismien moduulitoteutus vaatii vain rajallisen määrän tyyppejä. Moduulien digitaalinen valmistuskuvaus mahdollistaa niiden materiaalisisällön, vastuullisen alkuperän ja ympäristön kannalta merkityksellisen vaikutusten seurannan.

Mikroelektroninen morfogeneesi

Mikroelektroninen morfogeneesi voi tarjota ratkaisuja tilanteisiin, joissa nykyiset koneet eivät toimi.

Niiden ominaisuudet muuttavat peliä monissa sovellusskenaarioissa, ja luonnostaan modulaarinen rakenne johtaa yleiskäyttöiseen, tehokkaaseen ja kustannustehokkaaseen teknologiseen ratkaisualustaan.

Esimerkiksi mahdollisuus päästä jonkin sisään mikroskooppisten aukkojen kautta kokoamattomana ja koota itsensä siellä mahdollistaa minimaalisesti invasiivisen kirurgian.

Toinen mahdollinen käyttö on ympäristönsuojelussa ja maataloudessa keinotekoisina organismeina, jotka vastaavat luonnollisten organismien ominaisuuksia, joiden identtinen rakenne mahdollistaa paikan päällä tapahtuvan datankeruun yksityiskohtaisesti ympäristövaikutuksista organismeihin.

Lisäksi itseliikunta- ja itsekokoamis- ja purkamisominaisuudet mahdollistavat moduulien itselajittelun kierrätystä ajatellen. Moduulit voidaan saada takaisin sekä käyttää ja konfiguroida uudelleen ja sijoittaa uudelleen erilaisiin keinotekoisiin organismeihin.

Jos ne ovat vikaantuneet, niiden rajalliset ja dokumentoidut tyypit helpottavat materiaalien tehokasta räätälöityä kierrätystä vakiintuneiden ja optimoitujen menetelmien avulla.

Marraskuu 2023