Il limite del silicio che potrebbe decidere il prossimo vantaggio europeo sui chip. Un foro di dieci nanometri e una scommessa molto più grande.
Un centro di ricerca fiammingo ha praticato un foro di dieci nanometri in una membrana di nitruro di silicio. Il fatto, di per sé, sembra irrilevante, ma il modo in cui lo ha fatto cambia i termini della questione. imec non ha usato un fascio di elettroni né una punta al microscopio, le tecniche con cui si fabbricano da sempre i nanopori a stato solido. Ha usato la stessa litografia ultravioletta estrema (EUV) con cui si producono i processori più avanzati al mondo.
È qui che il discorso smette di riguardare solo la biologia. Se il calcolo di imec regge, l'infrastruttura litografica più costosa mai installata in Europa — quella su cui il centro di Leuven costruisce il proprio vantaggio in termini di patterning — trova nella lettura di singole molecole di DNA e proteine un secondo mercato che, per ora, nessun concorrente asiatico o americano presidia con la stessa combinazione di scala industriale e competenza litografica.
Cosa cambia davvero: dal fascio di elettroni al wafer da 300 millimetri
A dicembre, in occasione dello IEDM di San Francisco, imec ha reso pubblica la prima fabbricazione su scala wafer di nanopori a stato solido ottenuta con litografia EUV. Il centro di ricerca ha prodotto pori con diametro attorno ai 10 nanometri, uniformi su wafer interi da 300 millimetri, incorporandoli in membrane di nitruro di silicio caratterizzate elettricamente in ambiente acquoso. Facendo passare frammenti di DNA attraverso il poro, imec ha ottenuto un segnale chiaro e facilmente distinguibile dal rumore di fondo — la prova che il dispositivo funziona bene anche immerso nel liquido, condizione indispensabile per un sensore molecolare.
Fino a oggi la fabbricazione dei nanopori a stato solido si è appoggiata a tecniche come il fascio di elettroni, il fresaggio a fascio ionico focalizzato o la scultura al microscopio elettronico a trasmissione: metodi questi capaci di risultati precisi, ma incompatibili con la produzione di volume. Un laboratorio può permettersi di scolpire un poro alla volta. Un mercato da centinaia di milioni di dollari no.
Applicando l'EUV insieme a una tecnica di etching basata su spaziatori, imec ha dimostrato che la stessa disciplina di ripetibilità usata per i chip logici può essere trasferita alla fabbricazione di sensori biomolecolari. Pol Van Dorpe, del gruppo di fisica dello stato solido quantistico di KU Leuven e fellow imec, ha descritto l'obiettivo senza troppi giri di parole: produrre migliaia, ed eventualmente milioni, di pori in un solo passaggio, aprendo il campo a un numero più ampio di sviluppatori di saggi, strumenti e prodotti.
Il poro non basta: serve un'elettronica capace di ascoltarlo
Un nanoporo perfetto, da solo, non serve a nulla. Serve un'elettronica di lettura capace di leggere segnali nell'ordine dei picoampere con banda sufficiente a catturare eventi di traslocazione che durano microsecondi. È qui che il progetto smette di essere solo chimica dei materiali e torna, a tutti gli effetti, a essere un problema di progettazione di circuiti.
Al recente ISSCC 2026 imec ha presentato un ASIC di readout a 256 canali con rumore di 193 picoampere rms su una banda di 1 megahertz, pensato specificamente per il sensing di una singola molecola su nanopori a stato solido. È questo il tassello che trasforma il dimostratore da laboratorio in un sistema modulare: cartucce con elettrodi, strato fluidico e nanopori integrati, sviluppate insieme a Cambridge Design Partnership, con valvole on-chip e distribuzione individuale del campione per ciascun poro.
Oggi la piattaforma lavora su chip a 4 nanopori indirizzabili singolarmente; uno strumento capace di misurare fino a 96 pori in parallelo è atteso entro la metà del 2026, con l'obiettivo dichiarato di superare la densità di un poro per millimetro quadrato. Imec, va detto con chiarezza, non fornisce la biologia. La chimica, la preparazione dei campioni, la progettazione del saggio restano compito dei partner che vorranno costruire strumenti e prodotti sopra questa infrastruttura: una scelta di posizionamento precisa, da fonderia e piattaforma per le life sciences, non da produttore di diagnostica finita.
Il fronte parallelo: dove il silicio non basta più
C'è un problema che il silicio, da solo, non riesce a risolvere. Il sottile strato di ossido nativo che ricopre la sua superficie, a contatto con una soluzione acquosa, sviluppa una carica superficiale che varia con il pH, un effetto su cui si basano gli stessi sensori di pH a stato solido, ma che in un bioFET si trasforma in rumore e interferenza: un difetto tollerabile in un transistor logico, ma inaccettabile in un sensore che deve distinguere il segnale di una singola molecola.
Accanto ai nanopori, imec sta portando avanti un secondo approccio elettrico alla rilevazione di biomolecole basato su transistor a effetto di campo (FET) con canale in nanotubi di carbonio allineati, proprio per aggirare questo limite: lo screening di carica superficiale e il rumore legato all'ossido nativo, che degrada la sensibilità del dispositivo oltre a renderlo più sensibile alle variazioni di pH.
I nanotubi di carbonio, al contrario, offrono canali semiconduttori atomicamente sottili che non sviluppano ossido superficiale in ambiente liquido, riducendo entrambi questi effetti. Nella piattaforma ACNT bioFET di imec, le biomolecole vengono ancorate al canale tramite funzionalizzazione a base di pirene; esperimenti con oligonucleotidi di DNA a singolo filamento hanno mostrato segnali distinguibili in tempo reale al momento dell'iniezione del campione. Resta un ostacolo tecnico non banale: i residui polimerici introdotti durante la lavorazione in soluzione dei nanotubi possono degradare le prestazioni del dispositivo, un problema su cui il gruppo di ricerca sta ancora lavorando.
A completare il portafoglio, imec porta avanti anche nanowell-FET in tecnologia CMOS convenzionale e circuiti fotonici integrati per immuno-saggi in tempo reale, con l'obiettivo dichiarato di costruire un portafoglio tecnologico coerente per il biosensing scalabile a singola molecola.
Un mercato da 700 milioni di dollari in movimento
Non è un esercizio accademico. Il mercato del sequenziamento a nanopori vale oggi circa 420 milioni di dollari, con una crescita attesa a un tasso composto del 10,8% annuo fino a superare i 700 milioni entro il 2031. La quota dominante, oltre il 70% dei ricavi 2025, resta in mano ai nanopori biologici: pori proteici inseriti in bilayer lipidici, tecnologia su cui Oxford Nanopore ha costruito un ecosistema commerciale maturo, fatto di iterazioni chimiche continue, dispositivi modulari e un'analisi open-source che alimenta l'innovazione di terze parti.
I nanopori a stato solido, pur partendo da una base più piccola, crescono a un ritmo superiore, attorno al 14,6% annuo: un segnale che gli analisti di settore leggono come l'ingresso di attori legati al mondo dei semiconduttori, orientati alla fabbricazione wafer-level per abbattere il costo delle flow cell e integrare i pori direttamente su sensori CMOS.
È esattamente il terreno su cui si gioca la scommessa di imec. I pori biologici restano più riproducibili lotto per lotto — requisito imprescindibile per la regolamentazione clinica — ma soffrono di un rapporto segnale-rumore intrinsecamente limitato. I pori a stato solido, fabbricati con processi da 300 millimetri, promettono in teoria un rapporto segnale-rumore superiore, a patto di risolvere il problema di rallentare la traslocazione della molecola attraverso il poro: una sfida ancora aperta, su cui imec continua a lavorare insieme al progetto Digiome dedicato al sequenziamento proteico di singola molecola.
La carta che l'Europa ha in mano e che quasi nessuno ha intenzione di giocare
Il dato più interessante per chi segue la geopolitica delle infrastrutture litografiche riguarda meno la biologia e più l'economia degli investimenti. L'EUV ad alta apertura numerica installato a Leuven, e più in generale il parco macchine ASML su cui imec costruisce il proprio vantaggio in patterning, trova qui un secondo mercato di sbocco oltre a logic e memory.
Applicare un'infrastruttura pensata per i nodi ångström alla fabbricazione di sensori per la diagnostica e la proteomica allarga la base di ritorno sugli investimenti fatti per restare all'avanguardia nella litografia, in un momento in cui il costo di ogni generazione di scanner cresce più rapidamente dei ricavi che i soli clienti logic e memory riescono a giustificare. Per l'ecosistema europeo dei semiconduttori, spesso descritto come rincorsa perenne rispetto a Asia e Stati Uniti sul fronte della manifattura pura, la capacità di imec di trasferire competenze litografiche verso le life sciences rappresenta una delle poche aree in cui il vantaggio tecnologico europeo si traduce in un mercato realmente nuovo, piuttosto che in una difesa di quote già esistenti. Il silicio ha un limite. La domanda, per chi guarda a Leuven da fuori, è chi arriverà per primo a trasformarlo in un vantaggio commerciale.
