Dagli anni Sessanta, i chip dei computer sono stati costruiti utilizzando un processo chiamato fotolitografia. Ma negli ultimi cinque anni, le caratteristiche del chip sono diventate più piccole della lunghezza d'onda della luce, che ha richiesto alcune ingegnose modifiche dei processi fotolitografici. Mantenere il tasso di miniaturizzazione dei circuiti che ci si aspetta, come previsto dalla legge di Moore, richiederà alla fine nuove tecniche di produzione.

copolimeri a blocchi, molecole che spontaneamente si autoassemblano in forme utili, sono una promettente alternativa alla fotolitografia. In un nuovo articolo sulla rivista Comunicazioni sulla natura , I ricercatori del MIT descrivono la prima tecnica per impilare strati di fili di copolimero a blocchi in modo tale che i fili in uno strato si orientino naturalmente perpendicolarmente a quelli nello strato sottostante.

La capacità di produrre facilmente tali "strutture mesh" potrebbe rendere l'autoassemblaggio un modo molto più pratico per produrre memoria, chip ottici, e persino generazioni future di processori per computer.

"C'è un lavoro precedente sulla fabbricazione di una struttura a rete, ad esempio il nostro lavoro, "dice Amir Tavakkoli, un postdoc nel Research Laboratory of Electronics del MIT e uno dei tre primi autori del nuovo articolo. "Abbiamo usato pali che avevamo fabbricato mediante litografia a fascio di elettroni, che richiede tempo. Ma qui, non usiamo la litografia a fascio di elettroni. Usiamo il primo strato di copolimero a blocchi come modello per autoassemblare un altro strato di copolimero a blocchi sopra di esso".

I co-primi autori di Tavakkoli sull'articolo sono Sam Nicaise, uno studente laureato in ingegneria elettrica, e Karim Gadelrab, uno studente laureato in scienze e ingegneria dei materiali. Gli autori senior sono Alfredo Alexander-Katz, il Walter Henry Gale Professore Associato di Scienza e Ingegneria dei Materiali; Carolina Rossi, il Professore Toyota di Scienza e Ingegneria dei Materiali; e Karl Berggren, un professore di ingegneria elettrica.

Coppie infelici

I polimeri sono lunghe molecole costituite da unità molecolari di base infilate in catene. Le materie plastiche sono polimeri, e così sono le molecole biologiche come il DNA e le proteine. Un copolimero è un polimero ottenuto dall'unione di due diversi polimeri.

In un copolimero a blocchi, i polimeri costituenti sono scelti in modo che siano chimicamente incompatibili tra loro. Sono i loro tentativi di allontanarsi l'uno dall'altro, sia all'interno di una singola catena polimerica che all'interno di un film polimerico, che li induce ad auto-organizzarsi.

Nel caso dei ricercatori del MIT, uno dei polimeri costituenti è a base di carbonio, l'altro a base di silicio. Nei loro sforzi per sfuggire al polimero a base di carbonio, i polimeri a base di silicio si ripiegano su se stessi, cilindri di formatura con anse di polimero a base di silicio all'interno e l'altro polimero irto all'esterno. Quando le bombole sono esposte a un plasma di ossigeno, il polimero a base di carbonio brucia e il silicio si ossida, lasciando cilindri simili a vetro attaccati a una base.

Per assemblare un secondo strato di cilindri, i ricercatori semplicemente ripetono il processo, pur utilizzando copolimeri con lunghezze di catena leggermente diverse. I cilindri del nuovo strato si orientano naturalmente perpendicolarmente a quelli del primo.

Il trattamento chimico della superficie su cui si forma il primo gruppo di cilindri li farà allineare in file parallele. In quel caso, anche il secondo strato di cilindri formerà file parallele, perpendicolari a quelli della prima.

Ma se si lascia che i cilindri dello strato inferiore si formino a casaccio, serpeggiando in elaborati, modelli di loop, i cilindri del secondo strato manterranno il loro orientamento relativo, creando il proprio elaborato, ma perpendicolare, modelli.

La struttura a maglia ordinata è quella che ha le applicazioni più ovvie, ma quella disordinata è forse l'impresa tecnica più impressionante. "Questo è quello di cui gli scienziati dei materiali sono entusiasti, "dice Nicaise.

Perché e percome

I fili simili al vetro non sono direttamente utili per le applicazioni elettroniche, ma potrebbe essere possibile seminarli con altri tipi di molecole, che li renderebbe elettronicamente attivi, o per usarli come modello per depositare altri materiali. I ricercatori sperano di poter riprodurre i loro risultati con polimeri più funzionali. A quello scopo, dovevano caratterizzare teoricamente il processo che ha prodotto i loro risultati. "Utilizziamo simulazioni al computer per comprendere i parametri chiave che controllano l'orientamento del polimero, " dice Gadelrab.

Quello che hanno scoperto è che la geometria dei cilindri nello strato inferiore limitava i possibili orientamenti dei cilindri nello strato superiore. Se le pareti dei cilindri inferiori sono troppo ripide per consentire un comodo inserimento dei cilindri superiori, i cilindri superiori cercheranno di trovare un orientamento diverso.

È anche importante che gli strati superiore e inferiore abbiano solo interazioni chimiche deboli. Altrimenti, i cilindri superiori cercheranno di accatastarsi sopra quelli inferiori come tronchi su una pila.

Entrambe queste proprietà, geometria del cilindro e interazione chimica, possono essere previste dalla fisica delle molecole polimeriche. Quindi dovrebbe essere possibile identificare altri polimeri che mostreranno lo stesso comportamento.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.