Ensamblaje dirigido de micro y nanoestructuras

El ensamblaje dirigido de micro y nanoestructuras son métodos para la producción en masa de dispositivos y materiales de micro a nanoescala. El ensamblaje dirigido permite un control preciso del ensamblaje de micro y nanopartículas para formar incluso los dispositivos o materiales más complejos y altamente funcionales. ^{[ 1 ]}

El autoensamblaje dirigido (DSA) es un tipo de ensamblaje dirigido que utiliza la morfología de copolímeros de bloque para crear líneas, espacios y patrones de agujeros, lo que facilita un control más preciso de las formas de las características. Luego, utiliza interacciones superficiales y la termodinámica de polímeros para finalizar la formación de las formas de los patrones finales. ^{[ 1 ]} Para controlar las interacciones superficiales que permiten  una resolución inferior a 10 nm, un equipo formado por el Instituto Tecnológico de Massachusetts, la Universidad de Chicago y el Laboratorio Nacional Argonne desarrolló en 2017 una forma de utilizar una capa superior polimérica depositada en fase de vapor sobre la película de copolímero de bloque. ^{[ 2 ]}

El DSA no es un proceso independiente, sino que se integra con los procesos de fabricación tradicionales para producir en masa micro y nanoestructuras a un menor coste. El autoensamblaje dirigido se utiliza principalmente en las industrias de semiconductores y discos duros. La industria de semiconductores emplea este método de ensamblaje para aumentar la resolución (intentando integrar más compuertas), mientras que la industria de discos duros utiliza el DSA para fabricar "soportes con patrones de bits" según las densidades de almacenamiento especificadas. ^{[ 3 ]}

Existen numerosas aplicaciones del ensamblaje dirigido a microescala, desde la ingeniería de tejidos hasta las películas delgadas de polímeros. En la ingeniería de tejidos, el ensamblaje dirigido ha logrado reemplazar el método de andamiaje para la construcción de tejidos. Esto se consigue controlando la posición y la organización de las diferentes células, que son los "bloques de construcción" del tejido, en distintas microestructuras deseadas. Esto elimina el error de no poder reproducir el mismo tejido, un problema importante en el método de andamiaje. ^{[ 4 ]}

La nanotecnología proporciona métodos para organizar materiales como moléculas, polímeros, bloques de construcción, etc., para formar nanoestructuras precisas que tienen muchas aplicaciones. ^{[ 5 ]} En el proceso y la aplicación del autoensamblaje de péptidos en nanotubos, los nanotubos de carbono de pared simple son un ejemplo, que consisten en una lámina de grafeno enrollada sin fisuras alrededor de un cilindro. Esto se produce en el flujo externo de un carbono y se obtiene mediante la vaporización láser de grafito enriquecido con un metal de transición. ^{[ 6 ]}

La litografía de nanoimpresión es un método popular para fabricar patrones a escala nanométrica. Estos patrones se crean mediante la deformación mecánica de una resina de impresión (monómero o polímero) y procesos posteriores. Luego, se curan con calor o luz ultravioleta, y se controla con precisión el nivel de la resina y la plantilla en condiciones adecuadas según el objetivo. Además, la litografía de nanoimpresión ofrece alta resolución y productividad a bajo costo. Entre sus desventajas se incluyen el mayor tiempo necesario para la creación de plantillas, la falta de procedimientos estandarizados que da lugar a múltiples métodos de fabricación y la limitación en la variedad de patrones que se pueden formar.

Con el objetivo de mitigar estas desventajas al aplicar la nanotecnología a la electrónica, investigadores del Centro de Ciencia e Ingeniería a Nanoescala para la Nanofabricación de Alta Velocidad (CHN) de la Fundación Nacional de Ciencias en la Universidad Northeastern, junto con sus socios UMass Lowell y la Universidad de New Hampshire, han desarrollado un proceso de ensamblaje dirigido de redes de nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) para crear una plantilla de circuito que se puede transferir de un sustrato a otro. ^{[ 7 ]}

Las monocapas autoensambladas (SAM, por sus siglas en inglés) están formadas por una capa de moléculas orgánicas que se organizan de forma natural en una red ordenada sobre la superficie de un sustrato determinado. Las moléculas de esta red presentan enlaces químicos en un extremo (grupo cabeza), mientras que el otro extremo (grupo terminal) conforma la superficie expuesta de la SAM.

Se pueden formar muchos tipos de SAMs. Por ejemplo: los tioles forman SAMs sobre oro, plata, cobre o sobre algunos semiconductores compuestos como InP y GaAs . Al cambiar el grupo terminal de las moléculas, se pueden obtener diferentes propiedades superficiales; por lo tanto, las SAMs se pueden usar para hacer que las superficies sean hidrofóbicas o hidrofílicas, así como para cambiar los estados superficiales del semiconductor. Con el autoensamblaje , el posicionamiento de las SAMs se utiliza para definir el sistema químico con precisión y encontrar la ubicación objetivo en un dispositivo molecular-inorgánico. Con esta característica, las SAMs son buenas candidatas para dispositivos electrónicos moleculares, como el uso de SAMs para construir dispositivos electrónicos y quizás circuitos, lo cual es una perspectiva interesante. Debido a su capacidad para proporcionar la base para el almacenamiento de datos de muy alta densidad y dispositivos de alta velocidad. ^{[ 8 ]}