Команда изобретает метод уменьшения объектов до наномасштаба: Это не совсем костюм Человека-муравья, но система производит трехмерные структуры в одну тысячную размера оригинала

Исследователи Массачусетского технологического института изобрели способ изготовления наноразмерных 3D-объектов практически любой формы. Они также могут создавать узоры на объектах из различных полезных материалов., в том числе металлы, квантовые точки, и ДНК. «Это способ объединить практически любой материал в трехмерный рисунок с наноразмерной точностью.,» говорит Эдвард Бойден, они. Ева Тан, профессор нейротехнологий и доцент кафедры биологической инженерии, а также наук о мозге и когнитивных науках Массачусетского технологического института..

Инженеры Массачусетского технологического института разработали способ создания трехмерных наноразмерных объектов путем создания рисунка более крупной структуры с помощью лазера, а затем ее сжатия.. На этом изображении показана сложная структура до сжатия.. Образ: Дэниел Оран

Использование новой техники, Исследователи могут создавать любую форму и структуру по своему усмотрению, создавая рисунок на полимерном каркасе с помощью лазера.. После прикрепления к леске других полезных материалов, они сжимают его, генерирующие структуры, в тысячу раз превышающие объем оригинала.

Эти крошечные структуры могут найти применение во многих областях., от оптики до медицины и робототехники, Исследователи говорят,. В методике используется оборудование, которое уже имеется во многих лабораториях биологии и материаловедения., сделать его широко доступным для исследователей, которые хотят его попробовать.

Бойден, который также является членом Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института., Институт исследований мозга Макговерна, и Институт интегративных исследований рака Коха, является одним из старших авторов статьи, который появляется в декабре. 13 вопрос Наука. Другой старший автор — Адам Марблстоун., исследовательский филиал Media Lab, а ведущие авторы статьи — аспиранты Дэниел Оран и Сэмюэл Родрикес..

Имплозионное изготовление

Существующие методы создания наноструктур ограничены в возможностях.. Травление рисунков на поверхности с помощью света может создавать двумерные наноструктуры, но не работает для трехмерных структур.. Можно создавать трехмерные наноструктуры, постепенно добавляя слои друг на друга., но этот процесс медленный и сложный. А также, хотя существуют методы, позволяющие напрямую печатать наноразмерные объекты в 3D., они ограничены специализированными материалами, такими как полимеры и пластмассы., которым не хватает функциональных свойств, необходимых для многих приложений. более того, они могут создавать только самонесущие структуры. (Техника может дать твердую пирамиду., например, но не связанная цепь или полая сфера.)

Чтобы преодолеть эти ограничения, Бойден и его студенты решили адаптировать метод, разработанный его лабораторией несколько лет назад, для получения изображений ткани головного мозга с высоким разрешением.. Эта техника, известный как расширительная микроскопия, включает встраивание ткани в гидрогель и последующее ее расширение., позволяющий получать изображения с высоким разрешением с помощью обычного микроскопа. Сотни исследовательских групп в области биологии и медицины сейчас используют расширяющую микроскопию., поскольку он позволяет осуществлять трехмерную визуализацию клеток и тканей с помощью обычного оборудования..

Обратив этот процесс вспять, Исследователи обнаружили, что они могут создавать крупномасштабные объекты, встроенные в расширенные гидрогели, а затем сжимать их до наноразмеров., подход, который они называют «имплозионным производством».

Как они это сделали для расширяющей микроскопии, Исследователи использовали очень впитывающий материал из полиакрилата., обычно встречается в подгузниках, в качестве основы для процесса нанопроизводства. Каркас погружают в раствор, содержащий молекулы флуоресцеина., которые прикрепляются к лесам, когда они активируются лазерным светом.

Использование двухфотонной микроскопии, что позволяет точно нацеливаться на точки глубоко внутри конструкции, Исследователи прикрепляют молекулы флуоресцеина к определенным местам внутри геля.. Молекулы флуоресцеина действуют как якоря, которые могут связываться с другими типами молекул, которые добавляют исследователи..

«Вы прикрепляете якоря там, где хотите, с помощью света, а позже вы сможете прикрепить к якорям все, что захотите,- говорит Бойден. «Это может быть квантовая точка, это может быть часть ДНК, это может быть золотая наночастица».

«Это немного похоже на пленочную фотографию — скрытое изображение формируется путем воздействия света на чувствительный материал в геле.. затем, вы можете превратить это скрытое изображение в реальное, прикрепив другой материал, Серебряный, после. Таким образом, методом имплозии можно создавать всевозможные структуры., включая градиенты, несвязанные структуры, и модели из нескольких материалов,- говорит Оран.

Как только нужные молекулы прикрепятся в нужных местах, исследователи сжимают всю структуру, добавляя кислоту. Кислота блокирует отрицательные заряды в полиакрилатном геле, так что они больше не отталкивают друг друга., заставляя гель сжиматься. Использование этой техники, исследователи могут уменьшать объекты в 10 раз в каждом измерении (для общего сокращения объема в 1000 раз). Эта способность сжиматься не только позволяет увеличить разрешение., но также позволяет собирать материалы в каркасе низкой плотности.. Это обеспечивает легкий доступ для внесения изменений., а позже материал становится плотным твердым веществом при усадке.

«Люди уже много лет пытаются изобрести лучшее оборудование для производства наноматериалов меньшего размера., но мы поняли, что если просто использовать существующие системы и встроить свои материалы в этот гель, вы можете уменьшить их до наномасштаба, не искажая узоры,- говорит Родрикес.

В настоящее время, исследователи могут создавать объекты, которые находятся вокруг 1 кубический миллиметр, по образцу с разрешением 50 нанометры. Существует компромисс между размером и разрешением: Если исследователи хотят создавать более крупные объекты, около 1 кубический сантиметр, они могут достичь разрешения около 500 нанометры. тем не мение, это разрешение может быть улучшено при дальнейшем усовершенствовании процесса, Исследователи говорят,.

Лучшая оптика

Команда MIT сейчас изучает потенциальные возможности применения этой технологии., и они ожидают, что некоторые из первых приложений могут быть в оптике - например, создание специализированных линз, которые можно было бы использовать для изучения фундаментальных свойств света.. Эта технология также может позволить изготавливать меньшие по размеру изделия., лучшие объективы для таких приложений, как камеры мобильных телефонов, микроскопы, или эндоскопы, Исследователи говорят,. Дальше в будущем, Исследователи говорят, что этот подход можно использовать для создания наноразмерной электроники или роботов..

«С этим можно делать что угодно.,- говорит Бойден. «Демократизация ненанофабрикации может открыть границы, которые мы пока не можем себе представить».

Многие исследовательские лаборатории уже оснащены оборудованием, необходимым для такого рода производства.. «Лазер уже можно найти во многих биологических лабораториях., ты можешь отсканировать выкройку, затем отложить металлы, полупроводники, или ДНК, а затем уменьшите его,- говорит Бойден.

Источник: HTTP://news.mit.edu Энн Трэфтону