Was ist ein Substrat?
Ein Substrat ist ein darunterliegendes Material oder eine Materialschicht, auf der andere Materialien oder Prozesse ausgeführt werden. Es kann sich um alles handeln, von Untergrundoberflächen in der Landwirtschaft, auf denen Pflanzen wachsen, bis hin zu Schichten von Siliziumhalbleitern, die als Grundlage für den Bau elektrischer Schaltkreise dienen, und Zellen oder anderen biologischen Medien, auf die Enzyme einwirken. Der Begriff Substrat wird häufig in der Medizin- und Mikrochipherstellung verwendet, kommt aber auch in der Geologie und anderen natürlichen Prozessen vor.
Das Siliziumsubstrat ist zweifellos eines der komplexesten synthetischen Strukturen, die im Mikrometer- und Nanometerbereich hergestellt werden. Mikrochip- und Solarzellendesigns verwenden mehrere horizontale Schichten, wobei ein typischer Mikrochip ab 2011 mehrere funktionale Substrate oder Fundamente für darüberliegende Schichten aufweist. Das Halbleitermaterial beginnt mit einer Vorrichtungsschicht von Transistoren, die von einer Verbindungsschicht zu einer darüber liegenden Vorrichtungsschicht überdeckt wird. Zwischen diesen Abschnitten werden sowohl Isolations- als auch Metallisierungssubstratschichten sowie Verbindungsschichten hinzugefügt, um die gesamte Struktur zusammenzuhalten und funktionsfähig zu halten. Die Erforschung miteinander verbundener horizontaler und vertikaler Schichten, die einen dreidimensionalen Mikrochip in Würfelform ergeben, ist der nächste Schritt zur Erhöhung der Speicher- und Verarbeitungsgeschwindigkeit.
Im Gegensatz zur Schaltkreisherstellung ist ein Enzymsubstrat bereits eine natürliche dreidimensionale Form. Enzyme sind Proteinmoleküle, die als Katalysatoren in der Biochemie wirken. Nicotinamidadenindinukleotid (NADH) ist ein Beispiel für ein Coenzym des Vitamins B3, das sich an ein Zellsubstrat im menschlichen Körper bindet. Die aktive Substratstelle, an der es bindet, wird dann durch das Enzym verändert und dieser Abschnitt des Substrats wird als Produkt der Reaktion freigesetzt. Da das Enzym selbst dabei nicht verändert wird, bewegt es sich an andere Orte, um weiterhin wichtige Reaktionen wie die Zellatmung und die Energieerzeugung im Körper zu ermöglichen.
Geologische Prozesse beziehen sich häufig auf Substrate als Methode zur Bestimmung des Alters und der Zusammensetzung der Erdkruste. Niedrigere Schichten von Gesteinsablagerungen, die oft als Schichten bezeichnet werden, gelten als älter und enthalten oft frühe fossile Beispiele des Lebens auf der Erde, wenn sie horizontal abgelagert und nicht durch Klimaeffekte umgewälzt wurden. Ähnliche Untersuchungen an tiefen Schichten in Eisschichten in der Antarktis wurden durchgeführt, um die Zusammensetzung der Atmosphäre in der fernen Vergangenheit durch eingeschlossene Gase in Eissubstraten sowie Eiszeitperioden in der Geschichte des Erdklimas zu bestimmen. Verwandte Verfahren werden bei der Analyse der 15,24 cm (6 Zoll) oberen Bodensubstrate auf Nährstoffe, Wassereinlagerungen, eingeschlossene Luft usw. verwendet, um die Bodenfruchtbarkeit für ein optimales Pflanzenwachstum zu bestimmen.