Une équipe invente une méthode pour réduire les objets à l'échelle nanométrique: Ce n'est pas tout à fait le costume d'Ant-Man, mais le système produit des structures 3D d'un millième de la taille des originaux

Des chercheurs du MIT ont inventé un moyen de fabriquer des objets 3D à l'échelle nanométrique de presque toutes les formes. Ils peuvent également modeler les objets avec une variété de matériaux utiles, y compris les métaux, points quantiques, et ADN. "C'est une façon de mettre presque n'importe quel type de matériau dans un motif 3D avec une précision à l'échelle nanométrique," dit Edouard Boyden, elles ou ils. Professeur Eva Tan en neurotechnologie et professeur associé en génie biologique et en sciences du cerveau et cognitives au MIT.

Les ingénieurs du MIT ont mis au point un moyen de créer des objets nanométriques 3D en modelant une structure plus grande avec un laser, puis en la rétrécissant. Cette image montre une structure complexe avant le rétrécissement. Image: Daniel Oran

Utiliser la nouvelle technique, les chercheurs peuvent créer n'importe quelle forme et structure qu'ils veulent en modélisant un échafaudage en polymère avec un laser. Après avoir attaché d'autres matériaux utiles à l'échafaudage, ils le rétrécissent, générant des structures d'un millième du volume de l'original.

Ces minuscules structures pourraient avoir des applications dans de nombreux domaines, de l'optique à la médecine à la robotique, les chercheurs disent. La technique utilise un équipement que de nombreux laboratoires de biologie et de science des matériaux possèdent déjà, le rendant largement accessible aux chercheurs qui veulent l'essayer.

Boyden, qui est également membre du Media Lab du MIT, Institut McGovern pour la recherche sur le cerveau, et Institut Koch pour la recherche intégrative sur le cancer, est l'un des principaux auteurs de l'article, qui apparaît dans le décembre. 13 problème de Science. L'autre auteur principal est Adam Marblestone, une filiale de recherche du Media Lab, et les auteurs principaux de l'article sont les étudiants diplômés Daniel Oran et Samuel Rodriques.

Fabrication d'implosions

Les techniques existantes pour créer des nanostructures sont limitées dans ce qu'elles peuvent accomplir. La gravure de motifs sur une surface avec de la lumière peut produire des nanostructures 2D mais ne fonctionne pas pour les structures 3D. Il est possible de réaliser des nanostructures 3D en ajoutant progressivement des couches les unes sur les autres, mais ce processus est lent et difficile. Et, alors qu'il existe des méthodes qui peuvent directement imprimer en 3D des objets à l'échelle nanométrique, ils sont limités à des matériaux spécialisés comme les polymères et les plastiques, qui n'ont pas les propriétés fonctionnelles nécessaires pour de nombreuses applications. en outre, ils ne peuvent générer que des structures autoportantes. (La technique peut produire une pyramide solide, par exemple, mais pas une chaîne liée ou une sphère creuse.)

Pour dépasser ces limites, Boyden et ses étudiants ont décidé d'adapter une technique que son laboratoire a développée il y a quelques années pour l'imagerie haute résolution des tissus cérébraux. cette technique, connu comme microscopie à expansion, consiste à incorporer le tissu dans un hydrogel, puis à l'étendre, permettant une imagerie haute résolution avec un microscope ordinaire. Des centaines de groupes de recherche en biologie et en médecine utilisent désormais la microscopie à expansion, car il permet la visualisation 3D des cellules et des tissus avec du matériel ordinaire.

En inversant ce processus, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient créer des objets à grande échelle intégrés dans des hydrogels expansés, puis les réduire à l'échelle nanométrique, une approche qu'ils appellent "fabrication par implosion".

Comme ils l'ont fait pour la microscopie à expansion, les chercheurs ont utilisé un matériau très absorbant en polyacrylate, trouve couramment dans les couches, comme échafaudage pour leur processus de nanofabrication. L'échafaudage est baigné dans une solution qui contient des molécules de fluorescéine, qui se fixent à l'échafaudage lorsqu'ils sont activés par la lumière laser.

Utilisation de la microscopie à deux photons, qui permet un ciblage précis des points au plus profond d'une structure, les chercheurs attachent des molécules de fluorescéine à des endroits spécifiques dans le gel. Les molécules de fluorescéine agissent comme des ancres qui peuvent se lier à d'autres types de molécules que les chercheurs ajoutent.

"Vous attachez les ancres où vous voulez avec de la lumière, et plus tard, vous pouvez attacher ce que vous voulez aux ancres,” dit Boyden. "Ce pourrait être un point quantique, ça pourrait être un morceau d'ADN, il pourrait s'agir d'une nanoparticule d'or.

"C'est un peu comme la photographie argentique - une image latente est formée en exposant un matériau sensible dans un gel à la lumière. ensuite, vous pouvez développer cette image latente en une image réelle en attachant un autre matériau, argent, ensuite. De cette façon, la fabrication par implosion peut créer toutes sortes de structures, y compris les dégradés, structures non connectées, et motifs multimatériaux,» dit Oran.

Une fois les molécules souhaitées attachées aux bons endroits, les chercheurs rétrécissent toute la structure en ajoutant un acide. L'acide bloque les charges négatives dans le gel de polyacrylate afin qu'elles ne se repoussent plus, provoquant la contraction du gel. En utilisant cette technique, les chercheurs peuvent réduire les objets de 10 fois dans chaque dimension (pour une réduction globale de volume de 1 000 fois). Cette capacité à rétrécir permet non seulement une résolution accrue, mais permet également d'assembler des matériaux dans un échafaudage à faible densité. Cela permet un accès facile pour la modification, et plus tard le matériau devient un solide dense lorsqu'il est rétréci.

"Les gens essaient d'inventer de meilleurs équipements pour fabriquer des nanomatériaux plus petits depuis des années, mais nous avons réalisé que si vous utilisiez simplement les systèmes existants et intégriez vos matériaux dans ce gel, vous pouvez les réduire à l'échelle nanométrique, sans déformer les motifs,Rodriques dit.

Actuellement, les chercheurs peuvent créer des objets qui sont autour 1 millimètre cube, modelé avec une résolution de 50 nanomètres. Il y a un compromis entre la taille et la résolution: Si les chercheurs veulent fabriquer des objets plus grands, sur 1 centimètre cube, ils peuvent atteindre une résolution d'environ 500 nanomètres. toutefois, cette résolution pourrait être améliorée en affinant davantage le processus, les chercheurs disent.

Meilleure optique

L'équipe du MIT explore actuellement les applications potentielles de cette technologie, et ils prévoient que certaines des premières applications pourraient être dans l'optique - par exemple, fabriquer des lentilles spécialisées qui pourraient être utilisées pour étudier les propriétés fondamentales de la lumière. Cette technique pourrait également permettre la fabrication de plus petits, de meilleurs objectifs pour des applications telles que les caméras de téléphones portables, microscopes, ou endoscopes, les chercheurs disent. Plus loin dans le futur, les chercheurs disent que cette approche pourrait être utilisée pour construire de l'électronique ou des robots à l'échelle nanométrique.

"Il y a toutes sortes de choses que vous pouvez faire avec ça,” dit Boyden. "La démocratisation de l'unanofabrication pourrait ouvrir des frontières que nous ne pouvons pas encore imaginer."

De nombreux laboratoires de recherche disposent déjà du matériel nécessaire à ce type de fabrication. "Avec un laser, vous pouvez déjà trouver dans de nombreux laboratoires de biologie, vous pouvez numériser un motif, puis déposer les métaux, semi-conducteurs, ou ADN, puis le réduire,” dit Boyden.

La source: http://news.mit.edu par Anne Trafton