Il team inventa un metodo per ridurre gli oggetti alla nanoscala: Non è proprio il costume di Ant-Man, ma il sistema produce strutture 3D un millesimo delle dimensioni degli originali

I ricercatori del MIT hanno inventato un modo per fabbricare oggetti 3D su scala nanometrica di quasi tutte le forme. Possono anche modellare gli oggetti con una varietà di materiali utili, compresi i metalli, punti quantici, e DNA. “È un modo per inserire quasi ogni tipo di materiale in un modello 3D con precisione su scala nanometrica,"Dice Edward Boyden, Essi. Eva Tan Professoressa di Neurotecnologie e professore associato di Ingegneria biologica e di Scienze cerebrali e cognitive al MIT.

Gli ingegneri del MIT hanno ideato un modo per creare oggetti 3D su scala nanometrica modellando una struttura più grande con un laser e poi rimpicciolendola. Questa immagine mostra una struttura complessa prima del restringimento. Immagine: Daniele Orano

Utilizzando la nuova tecnica, i ricercatori possono creare qualsiasi forma e struttura desiderino modellando un'impalcatura polimerica con un laser. Dopo aver attaccato altri materiali utili all'impalcatura, lo rimpiccioliscono, generando strutture un millesimo del volume dell'originale.

Queste minuscole strutture potrebbero avere applicazioni in molti campi, dall'ottica alla medicina alla robotica, dicono i ricercatori. La tecnica utilizza attrezzature già presenti in molti laboratori di biologia e scienza dei materiali, rendendolo ampiamente accessibile per i ricercatori che vogliono provarlo.

Boyden, che è anche membro del Media Lab del MIT, Istituto McGovern per la ricerca sul cervello, e Istituto Koch per la ricerca integrativa sul cancro, è uno degli autori senior dell'articolo, che compare nel dic. 13 problema di Scienza. L'altro autore senior è Adam Marblestone, un affiliato di ricerca di Media Lab, e gli autori principali dell’articolo sono gli studenti laureati Daniel Oran e Samuel Rodriques.

Fabbricazione di implosione

Le tecniche esistenti per la creazione di nanostrutture sono limitate in ciò che possono realizzare. Incidere modelli su una superficie con la luce può produrre nanostrutture 2D ma non funziona con strutture 3D. È possibile realizzare nanostrutture 3D aggiungendo gradualmente strati uno sopra l'altro, ma questo processo è lento e impegnativo. E, mentre esistono metodi che possono stampare direttamente in 3D oggetti su scala nanometrica, sono limitati a materiali specializzati come polimeri e plastica, che mancano delle proprietà funzionali necessarie per molte applicazioni. inoltre, possono generare solo strutture autoportanti. (La tecnica può produrre una solida piramide, per esempio, ma non una catena collegata o una sfera cava.)

Per superare queste limitazioni, Boyden e i suoi studenti hanno deciso di adattare una tecnica sviluppata dal suo laboratorio alcuni anni fa per l'imaging ad alta risoluzione del tessuto cerebrale. Questa tecnica, conosciuto come microscopia ad espansione, comporta l'inclusione del tessuto in un idrogel e quindi la sua espansione, consentendo l'imaging ad alta risoluzione con un normale microscopio. Centinaia di gruppi di ricerca nel campo della biologia e della medicina utilizzano ora la microscopia ad espansione, poiché consente la visualizzazione 3D di cellule e tessuti con hardware ordinario.

Invertendo questo processo, i ricercatori hanno scoperto che potevano creare oggetti su larga scala incorporati in idrogel espansi e poi ridurli a scala nanometrica, un approccio che chiamano “fabbricazione per implosione”.

Come hanno fatto per la microscopia ad espansione, i ricercatori hanno utilizzato un materiale molto assorbente in poliacrilato, comunemente presente nei pannolini, come impalcatura per il loro processo di nanofabbricazione. L'impalcatura è immersa in una soluzione che contiene molecole di fluoresceina, che si attaccano all'impalcatura quando vengono attivati ​​dalla luce laser.

Utilizzando la microscopia a due fotoni, che consente di mirare con precisione ai punti profondi all'interno di una struttura, i ricercatori attaccano le molecole di fluoresceina a posizioni specifiche all'interno del gel. Le molecole di fluoresceina agiscono come ancore che possono legarsi ad altri tipi di molecole aggiunte dai ricercatori.

“Le ancore le attacchi dove vuoi con la luce, e poi potrai attaccare quello che vuoi alle ancore,"Dice Boyden. “Potrebbe essere un punto quantico, potrebbe essere un pezzo di DNA, potrebbe essere una nanoparticella d’oro”.

“È un po’ come la fotografia su pellicola: un’immagine latente si forma esponendo alla luce un materiale sensibile racchiuso in un gel. Poi, puoi sviluppare quell'immagine latente in un'immagine reale allegando altro materiale, d'argento, dopo. In questo modo la fabbricazione per implosione può creare tutti i tipi di strutture, compresi i gradienti, strutture non collegate, e modelli multimaterici,"dice Orano.

Una volta che le molecole desiderate sono attaccate nelle posizioni giuste, i ricercatori restringono l'intera struttura aggiungendo un acido. L'acido blocca le cariche negative nel gel di poliacrilato in modo che non si respingano più, provocando la contrazione del gel. Usando questa tecnica, i ricercatori possono rimpicciolire gli oggetti di 10 volte in ciascuna dimensione (per una riduzione complessiva del volume di 1.000 volte). Questa capacità di restringimento non solo consente una maggiore risoluzione, ma rende anche possibile assemblare materiali in un'impalcatura a bassa densità. Ciò consente un facile accesso per la modifica, e successivamente il materiale diventa un solido denso quando si restringe.

“Sono anni che le persone cercano di inventare attrezzature migliori per produrre nanomateriali più piccoli, ma ci siamo resi conto che basta usare i sistemi esistenti e incorporare i materiali in questo gel, puoi ridurli fino alla nanoscala, senza stravolgere gli schemi," dice Rodriques.

Attualmente, i ricercatori possono creare oggetti che si trovano in giro 1 millimetro cubo, modellato con una risoluzione di 50 nanometri. Esiste un compromesso tra dimensioni e risoluzione: Se i ricercatori vogliono realizzare oggetti più grandi, di 1 centimetro cubo, possono raggiungere una risoluzione di circa 500 nanometri. tuttavia, tale risoluzione potrebbe essere migliorata con un ulteriore perfezionamento del processo, dicono i ricercatori.

Ottica migliore

Il team del MIT sta ora esplorando le potenziali applicazioni di questa tecnologia, e prevedono che alcune delle prime applicazioni potrebbero essere, ad esempio, nel campo dell'ottica, realizzare lenti specializzate che potrebbero essere utilizzate per studiare le proprietà fondamentali della luce. Questa tecnica potrebbe consentire anche la fabbricazione di pezzi più piccoli, obiettivi migliori per applicazioni come le fotocamere dei cellulari, microscopi, o endoscopi, dicono i ricercatori. Più lontano nel futuro, i ricercatori affermano che questo approccio potrebbe essere utilizzato per costruire robot o dispositivi elettronici su scala nanometrica.

“Ci sono tutti i tipi di cose che puoi fare con questo,"Dice Boyden. “Democratizzare la unanofabbricazione potrebbe aprire frontiere che non possiamo ancora immaginare”.

Molti laboratori di ricerca sono già forniti delle attrezzature necessarie per questo tipo di fabbricazione. “Il laser si trova già in molti laboratori di biologia, è possibile scansionare un modello, quindi depositare i metalli, semiconduttori, o DNA, e poi rimpicciolirlo,"Dice Boyden.

fonte: http://news.mit.edu di Anne Trafton