Grazie alla proteina della seta, l’acqua può sostituire le sostanze tossiche nella nanoproduzione e aprire la strada a dispositivi ibridi elettronici-biologici

Mettere quasi 50 miliardi di transistor all’interno di un microchip delle dimensioni di un’unghia è un’impresa che richiede metodi di produzione nanometrica capaci di creare i modelli di semiconduttori, isolanti e metalli che costituiscono i minuscoli dispositivi di lavoro all’interno del chip.

I processi di stratificazione, incisione, deposito e fotolitografia che rendono possibile la produzione di microchip fanno affidamento sulle proprietà dei solventi che trasportano e depositano i materiali in ogni strato, sostanze spesso difficili da maneggiare e tossiche per l’ambiente.

Oggi, però, i ricercatori della Tufts University guidati dal Professor Fiorenzo Omenetto hanno sviluppato un approccio alla nanoproduzione che utilizza l’acqua come solvente principale, aprendo la strada allo sviluppo di dispositivi che combinano materiali inorganici e biologici.

Semiconduttori: la determinante questione della sostenibilità

Dopo la sensibile flessione registrata nel 2023, il mercato dei chip è tornato a crescere: spinta dalla richiesta di chip per l’addestramento e l’inferenza dei modelli generativi di intelligenza artificiale, l’industria dei semiconduttori è destinata a superare, entro la fine del 2024, anche le vendite record del 2022 – che a oggi resta l’anno d’oro dei circuiti integrati.

La produzione di microchip è destinata ad aumentare notevolmente nei prossimi anni: secondo un’analisi di Fortune Business Insights, le dimensioni del mercato globale di semiconduttori, pari a 611,35 miliardi di dollari nel 2023, supereranno i 2000 miliardi di dollari entro il 2032.

La questione della sostenibilità dei microchip, quindi, si fa sempre più invadente: ogni anno, infatti, l’industria lascia dietro di sé quasi 100 milioni di tonnellate di emissioni di gas serra e molti rifiuti tossici, come i gas fluorurati e altri prodotti chimici utilizzati nella produzione di circuiti integrati.

In particolare, questi composti chimici tossici vengono utilizzati come solventi, cioè per trasportare e depositare i materiali su ognuno dei sottilissimi strati che compongono il chip. Oggi, però, un nuovo studio pubblicato su Nature Nanotechnology descrive un approccio più sostenibile alla nanoproduzione, che apre la strada allo sviluppo di dispositivi che integrano biologia e microelettronica.

Chip lavorati con acqua e fibroina della seta: lo studio universitario

I ricercatori guidati da Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble Professor of Engineering della Tufts, hanno sviluppato un processo di nanoproduzione che utilizza l’acqua come solvente principale nella stampa in nanoscala. La sfida di usare l’acqua come solvente, spiegano gli scienziati, risiede nel fatto che i materiali con cui l’agente entra in contatto durante la produzione sono spesso idrofobici: analogamente all’acqua che si deposita sulla superficie ben lucidata di un’automobile, così la superficie di un wafer in silicio può risultare molto resistente al rivestimento uniforme con un materiale a base d’acqua.

Omenetto e il suo team del Silklab, però, hanno scoperto che la proteina che costituisce la seta comune, chiamata fibroina di seta, può migliorare significativamente la capacità dell’acqua di coprire in modo uniforme praticamente qualsiasi superficie, a seconda di quanta se ne aggiunge.

Per risolvere questo problema di tensione superficiale, i produttori già utilizzano dei tensioattivi capaci di modificare le proprietà dell’acqua: la fibroina di seta, però, può essere utilizzata in quantità significativamente inferiori, produce risultati di qualità superiore ed è rispettosa dell’ambiente e della biologia.

Come spiega il Professor Omenetto:

“Questo apre un’enorme opportunità nella fabbricazione di dispositivi: non solo si possono depositare materiali idrosolubili e metalli sul silicio, ma anche su tutti i tipi di polimeri. Possiamo persino depositare e stampare molecole biologiche su qualsiasi superficie con una precisione nanometrica”.

Omenetto e il suo team avevano dimostrato questa capacità in studi precedenti, creando un transistor ibrido silicio-biologico in grado di rispondere all’ambiente, di passare dall’elaborazione digitale a quella analogica e di essere addirittura un precursore di dispositivi neuromorfi, cioè simili al cervello.

Nanodispositivi a base d’acqua per una microelettronica sostenibile

Prima di sviluppare i transistor ibridi, i ricercatori del Silklab avevano già utilizzato la fibroina per realizzare inchiostri bioattivi per tessuti in grado di rilevare i cambiamenti nell’ambiente o sul corpo, tatuaggi sensoriali che possono essere posizionati sotto la pelle o sui denti per monitorare la salute e l’alimentazione e sensori che possono essere stampati su qualsiasi superficie per rilevare agenti patogeni come il virus responsabile del COVID-19.

La prima dimostrazione del team di un dispositivo prototipo ha utilizzato i transistor ibridi con la fibroina di seta per realizzare un sensore del respiro altamente sensibile e ultrarapido, in grado di rilevare le variazioni di umidità. Ulteriori modifiche dello strato di seta nei transistor potrebbero consentire ai dispositivi di rilevare alcune malattie cardiovascolari e polmonari o di rilevare i livelli di anidride carbonica e altri gas e molecole nel respiro. La loro integrazione nei comuni dispositivi nanoprodotti come i microchip, inoltre, potrebbe consentire la progettazione della prossima generazione di biosensori e processori che rispondono alla salute e all’ambiente.

Nell’ultimo studio, gli scienziati hanno testato il nuovo approccio su diversi componenti oggi ampiamente utilizzati in computer, smartphone, celle solari e altre applicazioni. Tra questi, i transistor all’ossido di indio-gallio-zinco, utilizzati principalmente nell’elettronica flessibile e nei touch screen, gli isolanti all’ossido di alluminio dei transistor, le pellicole di ossido di nichel utilizzate nei filtri ottici e nelle celle solari e quelle di perovskite di celle solari ad alta efficienza, diodi a emissione luminosa, laser e memorie.

Le prestazioni di componenti lavorati ad acqua sono risultate pari a quelle delle loro controparti sviluppate in commercio. E in effetti, secondo i ricercatori, la produzione di microchip e di altri nanodispositivi a base di acqua può essere facilmente sostituita all’attuale processo di produzione.

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