Un substrato è un materiale sottostante o uno strato di materiale su cui vengono eseguiti altri materiali o processi. Può coinvolgere qualsiasi cosa, dalle superfici del sottosuolo in agricoltura su cui vengono coltivate le piante a strati di semiconduttore di silicio utilizzato come base per la costruzione di circuiti elettrici e cellule o altri mezzi biologici su cui agiscono gli enzimi. Il termine substrato è spesso usato in medicina e nella produzione di microchip, ma è comune anche alla geologia e ad altri processi naturali.
Il substrato di silicio è, senza dubbio, una delle strutture sintetiche più complesse realizzate su scala micrometrica e nanometrica. I progetti di microchip e celle solari utilizzano più strati orizzontali, con un tipico microchip a partire dal 2011 con diversi substrati funzionali o basi per strati sopra di essi. Il materiale semiconduttore inizia con uno strato dispositivo di transistor, che è sormontato da uno strato di interconnessione a uno strato dispositivo sopra di esso. Tra queste sezioni vengono aggiunti strati di substrato sia di isolamento che di metallizzazione, nonché strati di legame per mantenere l’intera struttura unita e funzionale. La ricerca sugli strati orizzontali e verticali interconnessi, realizzando un microchip tridimensionale a forma di cubo, è il prossimo passo avanti nell’aumento della memoria e della velocità di elaborazione.
Contrariamente alla produzione di circuiti, un substrato enzimatico è già una forma tridimensionale naturale. Gli enzimi sono molecole proteiche che agiscono come catalizzatori in biochimica. La nicotinammide adenina dinucleotide (NADH) è un esempio di coenzima della vitamina B3, che si lega a un substrato cellulare nel corpo umano. Il sito del substrato attivo in cui si lega viene quindi alterato dall’enzima e questa sezione del substrato viene rilasciata come prodotto della reazione. Poiché l’enzima stesso non viene modificato nel processo, si sposta quindi in altri luoghi per continuare a consentire reazioni essenziali, come la respirazione cellulare e la produzione di energia nel corpo.
I processi geologici fanno spesso riferimento ai substrati anche come metodo per determinare l’età e la composizione della crosta terrestre. Gli strati inferiori di depositi rocciosi, spesso indicati come strati, sono considerati più antichi e spesso contengono primi esempi fossilizzati di vita sulla Terra, se sono stati depositati orizzontalmente e non sono stati ribaltati dagli effetti climatici. Una ricerca simile condotta esaminando gli strati profondi delle calotte glaciali in Antartide viene utilizzata per determinare la composizione dell’atmosfera nel lontano passato attraverso i gas intrappolati nei substrati di ghiaccio, nonché i periodi dell’era glaciale nella storia del clima terrestre. I processi correlati vengono utilizzati nell’analisi dei 6 centimetri superiori dei substrati del suolo per i nutrienti, la ritenzione idrica, l’aria intrappolata e così via per determinare la fertilità del suolo per una crescita ottimale delle colture.