团队发明了将物体缩小到纳米级的方法: 这不完全是蚁人套装, 但该系统生成的 3-D 结构是原件大小的千分之一

麻省理工学院的研究人员发明了一种制造几乎任何形状的纳米级 3-D 物体的方法. 他们还可以用各种有用的材料对物体进行图案化, 包括金属, 量子点, 和DNA. “这是一种将几乎任何类型的材料放入具有纳米级精度的 3D 图案中的方法,”爱德华·博伊登说, 他们. Eva Tan 神经技术教授，麻省理工学院生物工程和脑与认知科学副教授.

麻省理工学院的工程师设计了一种创建 3D 纳米级物体的方法，方法是用激光对更大的结构进行图案化，然后将其缩小. 此图显示了收缩前的复杂结构. 图片: 丹尼尔·奥兰

使用新技术, 研究人员可以通过用激光对聚合物支架进行图案化来创建他们想要的任何形状和结构. 将其他有用材料连接到脚手架后, 他们缩小它, 生成的结构是原始体积的千分之一.

这些微小的结构可以在许多领域有应用, 从光学到医学再到机器人, 研究人员说，. 该技术使用许多生物和材料科学实验室已经拥有的设备, 让想要尝试它的研究人员广泛使用它.

博伊登, 他也是麻省理工学院媒体实验室的成员, 麦戈文脑研究所, 和科赫综合癌症研究所, 是论文的资深作者之一, 这出现在月. 13 问题在于 科学. 另一位资深作者是 Adam Marblestone, 媒体实验室研究附属机构, 该论文的主要作者是研究生 Daniel Oran 和 Samuel Rodriques.

内爆制造

用于创建纳米结构的现有技术在它们可以完成的方面受到限制. 用光在表面上蚀刻图案可以产生 2-D 纳米结构，但不适用于 3-D 结构. 可以通过逐渐在彼此之上添加层来制造 3-D 纳米结构, 但这个过程缓慢且具有挑战性. 和, 虽然存在可以直接 3D 打印纳米级物体的方法, 它们仅限于特殊材料，如聚合物和塑料, 缺乏许多应用所需的功能特性. 此外, 它们只能生成自支撑结构. (该技术可以产生一个坚固的金字塔, 例如, 但不是链接链或空心球体。)

为了克服这些限制, Boyden 和他的学生决定采用他的实验室几年前开发的一项技术，用于脑组织的高分辨率成像. 这种技术, 被称为 膨胀显微镜, 包括将组织嵌入水凝胶中，然后将其扩展, 允许使用常规显微镜进行高分辨率成像. 数百个生物学和医学研究小组现在正在使用扩展显微镜, 因为它可以使用普通硬件对细胞和组织进行 3D 可视化.

通过扭转这个过程, 研究人员发现，他们可以制造出嵌入膨胀水凝胶中的大型物体，然后将它们缩小到纳米级, 他们称之为“内爆制造”的方法。

正如他们对扩展显微镜所做的那样, 研究人员使用了一种由聚丙烯酸酯制成的吸水性很强的材料, 常见于纸尿裤, 作为其纳米制造过程的支架. 支架浸泡在含有荧光素分子的溶液中, 当它们被激光激活时附着在支架上.

使用双光子显微镜, 允许精确定位结构深处的点, 研究人员将荧光素分子附着在凝胶内的特定位置. 荧光素分子充当锚，可以与研究人员添加的其他类型的分子结合.

“你用光把锚固定在你想要的地方, 然后你可以将任何你想要的东西附加到锚上,”博伊登说. “它可能是一个量子点, 它可能是一段DNA, 它可能是一种金纳米粒子。”

“这有点像胶片摄影——通过将凝胶中的敏感材料暴露在光线下形成潜像. 然后, 您可以通过附加另一种材料将该潜像显影成真实图像, 银, 然后. 通过这种方式，内爆制造可以创建各种结构, 包括渐变, 未连接的结构, 和多材料图案,”奥兰说.

一旦所需的分子附着在正确的位置, 研究人员通过添加酸来缩小整个结构. 酸阻断聚丙烯酸酯凝胶中的负电荷，使它们不再相互排斥, 导致凝胶收缩. 使用这种技术, 研究人员可以将物体在每个维度上缩小 10 倍 (体积减少 1,000 倍). 这种缩小的能力不仅可以提高分辨率, 但也使得在低密度支架中组装材料成为可能. 这样可以轻松访问以进行修改, 后来材料在收缩时变成致密的固体.

“多年来，人们一直试图发明更好的设备来制造更小的纳米材料, 但我们意识到，如果您只是使用现有系统并将您的材料嵌入到这种凝胶中, 你可以把它们缩小到纳米级, 不扭曲图案,”罗德里克斯说.

目前, 研究人员可以创建周围的物体 1 立方毫米, 图案分辨率为 50 纳米. 在尺寸和分辨率之间进行权衡: 如果研究人员想要制造更大的物体, 关于 1 立方厘米, 他们可以达到大约 500 纳米. 然而, 可以通过进一步完善该过程来改进该决议, 研究人员说，.

更好的光学

麻省理工学院团队现在正在探索这项技术的潜在应用, 他们预计一些最早的应用可能是在光学领域——例如, 制造可用于研究光的基本特性的专用透镜. 这种技术也可能允许制造更小的, 适用于手机相机等应用的更好镜头, 显微镜, 或内窥镜, 研究人员说，. 未来更远, 研究人员表示，这种方法可用于制造纳米级电子设备或机器人.

“你可以用这个做各种各样的事情,”博伊登说. “将非制造民主化可能会开辟我们无法想象的领域。”

许多研究实验室已经备有这种制造所需的设备. “使用激光，您已经可以在许多生物实验室中找到, 你可以扫描一个图案, 然后存放金属, 半导体, 或DNA, 然后缩小,”博伊登说.

资源: HTTP://news.mit.edu安妮特拉夫顿