Das Team erfindet die Methode, um Objekte auf die Nanoskala zu verkleinern: Es ist nicht ganz der Ant-Man-Anzug, Das System erzeugt jedoch 3D-Strukturen, die ein Tausendstel der Größe der Originale betragen

MIT-Forscher haben einen Weg gefunden, nanoskalige 3D-Objekte nahezu jeder Form herzustellen. Sie können die Objekte auch mit einer Vielzahl nützlicher Materialien strukturieren, einschließlich Metalle, Quantenpunkte, und DNA. „Auf diese Weise können nahezu alle Arten von Materialien mit nanoskaliger Präzision in ein 3D-Muster eingefügt werden,Sagt Edward Boyden, Sie. Eva Tan Professorin für Neurotechnologie und außerordentliche Professorin für Biotechnik sowie für Gehirn- und Kognitionswissenschaften am MIT.

MIT-Ingenieure haben einen Weg gefunden, um 3D-Objekte im Nanomaßstab zu erstellen, indem sie eine größere Struktur mit einem Laser strukturieren und dann verkleinern. Dieses Bild zeigt eine komplexe Struktur vor dem Schrumpfen. Bild: Daniel Oran

Mit der neuen Technik, Die Forscher können jede gewünschte Form und Struktur erzeugen, indem sie ein Polymergerüst mit einem Laser strukturieren. Nach dem Anbringen anderer nützlicher Materialien am Gerüst, sie schrumpfen es, Erzeugen von Strukturen, die ein Tausendstel des Volumens des Originals betragen.

Diese winzigen Strukturen könnten in vielen Bereichen Anwendung finden, Von der Optik über die Medizin bis zur Robotik, sagen die Forscher. Die Technik verwendet Geräte, über die viele Labors für Biologie und Materialwissenschaften bereits verfügen, Damit ist es für Forscher, die es ausprobieren möchten, allgemein zugänglich.

Boyden, der auch Mitglied des MIT Media Lab ist, McGovern-Institut für Hirnforschung, und Koch Institut für Integrative Krebsforschung, ist einer der führenden Autoren des Papiers, die erscheint im Dezember. 13 Problem von Wissenschaft. Der andere leitende Autor ist Adam Marblestone, ein Research-Partner von Media Lab, und die Hauptautoren der Arbeit sind die Doktoranden Daniel Oran und Samuel Rodriques.

Implosionsherstellung

Bestehende Techniken zur Erzeugung von Nanostrukturen sind in ihrer Leistung begrenzt. Das Ätzen von Mustern auf eine Oberfläche mit Licht kann 2D-Nanostrukturen erzeugen, funktioniert jedoch nicht für 3D-Strukturen. Es ist möglich, 3D-Nanostrukturen durch schrittweises Hinzufügen von Schichten übereinander herzustellen, Dieser Prozess ist jedoch langsam und herausfordernd. Und, Es gibt Methoden, mit denen Objekte im Nanomaßstab direkt in 3D gedruckt werden können, Sie sind auf spezielle Materialien wie Polymere und Kunststoffe beschränkt, denen die für viele Anwendungen notwendigen funktionellen Eigenschaften fehlen. Außerdem, Sie können nur selbsttragende Strukturen erzeugen. (Die Technik kann eine feste Pyramide ergeben, zum Beispiel, aber keine verknüpfte Kette oder Hohlkugel.)

Um diese Einschränkungen zu überwinden, Boyden und seine Schüler beschlossen, eine Technik anzupassen, die sein Labor vor einigen Jahren für die hochauflösende Bildgebung von Hirngewebe entwickelt hatte. Diese Technik, bekannt als Expansionsmikroskopie, beinhaltet das Einbetten von Gewebe in ein Hydrogel und das anschließende Expandieren, Dies ermöglicht eine hochauflösende Bildgebung mit einem normalen Mikroskop. Hunderte von Forschungsgruppen in Biologie und Medizin setzen inzwischen Expansionsmikroskopie ein, da es die 3D-Visualisierung von Zellen und Geweben mit gewöhnlicher Hardware ermöglicht.

Durch Umkehren dieses Prozesses, Die Forscher fanden heraus, dass sie großflächige Objekte erzeugen konnten, die in expandierte Hydrogele eingebettet waren, und diese dann auf die Nanoskala schrumpfen konnten, Ein Ansatz, den sie "Implosionsherstellung" nennen.

Wie bei der Expansionsmikroskopie, Die Forscher verwendeten ein sehr saugfähiges Material aus Polyacrylat, häufig in Windeln gefunden, als Gerüst für ihren Nanofabrikationsprozess. Das Gerüst wird in eine Lösung getaucht, die Fluoresceinmoleküle enthält, die sich am Gerüst befestigen, wenn sie durch Laserlicht aktiviert werden.

Unter Verwendung der Zwei-Photonen-Mikroskopie, Dies ermöglicht eine präzise Ausrichtung von Punkten tief in einer Struktur, Die Forscher binden Fluoresceinmoleküle an bestimmte Stellen im Gel. Die Fluoresceinmoleküle fungieren als Anker, die an andere Arten von Molekülen binden können, die die Forscher hinzufügen.

„Sie befestigen die Anker mit Licht an der gewünschten Stelle, und später können Sie an den Ankern befestigen, was Sie wollen,Sagt Boyden. „Es könnte ein Quantenpunkt sein, Es könnte ein Stück DNA sein, Es könnte ein Goldnanopartikel sein. “

„Es ist ein bisschen wie bei der Filmfotografie - ein latentes Bild entsteht, wenn ein empfindliches Material in einem Gel Licht ausgesetzt wird. Dann, Sie können dieses latente Bild zu einem realen Bild entwickeln, indem Sie ein anderes Material anhängen, Silber-, danach. Auf diese Weise kann die Implosionsherstellung alle Arten von Strukturen erzeugen, einschließlich Farbverläufe, nicht verbundene Strukturen, und Multimaterialmuster,Sagt Oran.

Sobald die gewünschten Moleküle an den richtigen Stellen gebunden sind, Die Forscher schrumpfen die gesamte Struktur durch Zugabe einer Säure. Die Säure blockiert die negativen Ladungen im Polyacrylatgel, so dass sie sich nicht mehr abstoßen, Bewirken, dass sich das Gel zusammenzieht. Mit dieser Technik, Die Forscher können die Objekte in jeder Dimension um das 10-fache verkleinern (für eine insgesamt 1000-fache Volumenreduzierung). Diese Fähigkeit zum Schrumpfen ermöglicht nicht nur eine höhere Auflösung, ermöglicht aber auch den Zusammenbau von Materialien in einem Gerüst geringer Dichte. Dies ermöglicht einen einfachen Zugriff für Änderungen, und später wird das Material ein dichter Feststoff, wenn es geschrumpft wird.

„Die Menschen haben jahrelang versucht, bessere Geräte für die Herstellung kleinerer Nanomaterialien zu erfinden, Wir haben jedoch festgestellt, dass Sie nur vorhandene Systeme verwenden und Ihre Materialien in dieses Gel einbetten, Sie können sie auf die Nanoskala verkleinern, ohne die Muster zu verzerren,Sagt Rodriques.

Zur Zeit, Die Forscher können Objekte erstellen, die sich in der Nähe befinden 1 Kubikmillimeter, gemustert mit einer Auflösung von 50 Nanometer. Es gibt einen Kompromiss zwischen Größe und Auflösung: Wenn die Forscher größere Objekte herstellen wollen, Über 1 Kubikzentimeter, Sie können eine Auflösung von etwa erreichen 500 Nanometer. jedoch, Diese Auflösung könnte durch eine weitere Verfeinerung des Prozesses verbessert werden, sagen die Forscher.

Bessere Optik

Das MIT-Team untersucht derzeit mögliche Anwendungen für diese Technologie, und sie gehen davon aus, dass einige der frühesten Anwendungen in der Optik liegen könnten - zum Beispiel, Herstellung spezieller Linsen, mit denen die grundlegenden Eigenschaften von Licht untersucht werden können. Diese Technik könnte auch die Herstellung von kleineren ermöglichen, Bessere Objektive für Anwendungen wie Handykameras, Mikroskope, oder Endoskope, sagen die Forscher. Weiter in der Zukunft, Die Forscher sagen, dass dieser Ansatz verwendet werden könnte, um nanoskalige Elektronik oder Roboter zu bauen.

„Es gibt alle möglichen Dinge, die man damit machen kann,Sagt Boyden. "Die Demokratisierung der Nichtherstellung könnte Grenzen eröffnen, die wir uns noch nicht vorstellen können."

Viele Forschungslabors sind bereits mit den für diese Art der Herstellung erforderlichen Geräten ausgestattet. „Mit einem Laser kann man bereits in vielen Biologielabors finden, Sie können ein Muster scannen, dann Metalle ablagern, Halbleiter, oder DNA, und dann schrumpfen,Sagt Boyden.

Quelle: http://news.mit.edu von Anne Trafton