Equipe inventa método para encolher objetos em nanoescala: Não é bem o traje do Homem-Formiga, mas o sistema produz estruturas 3D com um milésimo do tamanho dos originais

Pesquisadores do MIT inventaram uma maneira de fabricar objetos 3-D em nanoescala de praticamente qualquer forma. Eles também podem padronizar os objetos com uma variedade de materiais úteis, incluindo metais, pontos quânticos, e DNA. “É uma maneira de colocar praticamente qualquer tipo de material em um padrão 3-D com precisão em nanoescala,” diz Edward Boyden, elas. Eva Tan Professora em Neurotecnologia e professora associada de engenharia biológica e de cérebro e ciências cognitivas no MIT.

Os engenheiros do MIT desenvolveram uma maneira de criar objetos 3-D em nanoescala padronizando uma estrutura maior com um laser e depois encolhendo-a. Esta imagem mostra uma estrutura complexa antes de encolher. Imagem: Daniel Oran

Usando a nova técnica, os pesquisadores podem criar qualquer forma e estrutura que quiserem padronizando um andaime de polímero com um laser. Depois de anexar outros materiais úteis ao andaime, eles encolhem, gerando estruturas um milésimo do volume do original.

Essas pequenas estruturas podem ter aplicações em muitos campos, da óptica à medicina à robótica, dizem os pesquisadores. A técnica utiliza equipamentos que muitos laboratórios de biologia e ciência dos materiais já possuem, tornando-o amplamente acessível para pesquisadores que desejam experimentá-lo.

Boyden, que também é membro do Media Lab do MIT, Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro, e Koch Institute for Integrative Cancer Research, é um dos principais autores do artigo, que aparece em dezembro. 13 emissão de Ciência. O outro autor sênior é Adam Marblestone, um afiliado de pesquisa do Media Lab, e os principais autores do artigo são os alunos de pós-graduação Daniel Oran e Samuel Rodriques.

Fabricação de implosão

As técnicas existentes para criar nanoestruturas são limitadas no que podem realizar. Gravar padrões em uma superfície com luz pode produzir nanoestruturas 2-D, mas não funciona para estruturas 3-D. É possível fazer nanoestruturas 3-D adicionando gradualmente camadas umas sobre as outras, mas esse processo é lento e desafiador. E, enquanto existem métodos que podem imprimir diretamente em 3-D objetos em nanoescala, eles são restritos a materiais especializados como polímeros e plásticos, que não possuem as propriedades funcionais necessárias para muitas aplicações. além disso, eles só podem gerar estruturas autoportantes. (A técnica pode produzir uma pirâmide sólida, por exemplo, mas não uma corrente ligada ou uma esfera oca.)

Para superar essas limitações, Boyden e seus alunos decidiram adaptar uma técnica que seu laboratório desenvolveu há alguns anos para imagens de alta resolução do tecido cerebral. Esta técnica, conhecido como microscopia de expansão, envolve incorporar tecido em um hidrogel e depois expandi-lo, permitindo imagens de alta resolução com um microscópio comum. Centenas de grupos de pesquisa em biologia e medicina agora estão usando microscopia de expansão, uma vez que permite a visualização 3D de células e tecidos com hardware comum.

Ao reverter esse processo, os pesquisadores descobriram que poderiam criar objetos em grande escala incorporados em hidrogéis expandidos e depois reduzi-los à nanoescala, uma abordagem que eles chamam de “fabricação por implosão”.

Como eles fizeram para microscopia de expansão, os pesquisadores usaram um material muito absorvente feito de poliacrilato, comumente encontrado em fraldas, como o andaime para o seu processo de nanofabricação. O andaime é banhado em uma solução que contém moléculas de fluoresceína, que se prendem ao andaime quando são ativados por luz laser.

Usando microscopia de dois fótons, que permite o direcionamento preciso de pontos profundos dentro de uma estrutura, os pesquisadores anexam moléculas de fluoresceína a locais específicos dentro do gel. As moléculas de fluoresceína atuam como âncoras que podem se ligar a outros tipos de moléculas que os pesquisadores adicionam.

“Você prende as âncoras onde quiser com luz, e depois você pode anexar o que quiser às âncoras,” Boyden diz. “Pode ser um ponto quântico, pode ser um pedaço de DNA, pode ser uma nanopartícula de ouro.”

“É um pouco como a fotografia de filme – uma imagem latente é formada pela exposição de um material sensível em um gel à luz. Então, você pode desenvolver essa imagem latente em uma imagem real anexando outro material, prata, mais tarde. Desta forma, a fabricação por implosão pode criar todos os tipos de estruturas, incluindo gradientes, estruturas desconectadas, e padrões multimateriais,”Oran diz.

Uma vez que as moléculas desejadas são anexadas nos locais certos, os pesquisadores encolhem toda a estrutura adicionando um ácido. O ácido bloqueia as cargas negativas no gel de poliacrilato para que elas não se repelam mais, fazendo com que o gel se contraia. Usando esta técnica, os pesquisadores podem encolher os objetos 10 vezes em cada dimensão (para uma redução geral de 1.000 vezes no volume). Essa capacidade de encolher não só permite maior resolução, mas também possibilita a montagem de materiais em um andaime de baixa densidade. Isso permite fácil acesso para modificação, e mais tarde o material torna-se um sólido denso quando é encolhido.

“As pessoas vêm tentando inventar equipamentos melhores para fazer nanomateriais menores há anos, mas percebemos que se você apenas usar os sistemas existentes e incorporar seus materiais neste gel, você pode reduzi-los para a nanoescala, sem distorcer os padrões,Rodrigues diz.

atualmente, os pesquisadores podem criar objetos que estão ao redor 1 milímetro cúbico, modelado com uma resolução de 50 nanometros. Há uma troca entre tamanho e resolução: Se os pesquisadores querem fazer objetos maiores, sobre 1 Centímetro cúbico, eles podem alcançar uma resolução de cerca de 500 nanometros. Contudo, que a resolução poderia ser melhorada com um maior refinamento do processo, dizem os pesquisadores.

Melhor ótica

A equipe do MIT está agora explorando possíveis aplicações para essa tecnologia, e eles antecipam que algumas das primeiras aplicações podem ser em óptica - por exemplo, fazer lentes especializadas que poderiam ser usadas para estudar as propriedades fundamentais da luz. Esta técnica também pode permitir a fabricação de, lentes melhores para aplicações como câmeras de celular, microscópios, ou endoscópios, dizem os pesquisadores. Mais longe no futuro, os pesquisadores dizem que essa abordagem pode ser usada para construir eletrônicos ou robôs em nanoescala.

“Há todos os tipos de coisas que você pode fazer com este,” Boyden diz. “Democratizar a não-fabricação pode abrir fronteiras que ainda não podemos imaginar.”

Muitos laboratórios de pesquisa já estão abastecidos com os equipamentos necessários para esse tipo de fabricação. “Com um laser você já encontra em muitos laboratórios de biologia, você pode digitalizar um padrão, então deposite os metais, semicondutores, ou DNA, e depois reduzi-lo,” Boyden diz.

Fonte: http://news.mit.edu por Anne Trafton