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三维物体的方法。他们还可以用各种有用的材料，包括金属、量子点和DNA，为物体绘制图案。麻省理工学院(MIT)生物工程和大脑与认知科学副教授爱德华•博伊登(Edward Boyden)表示：这是一种将几乎任何一种材料以纳米级精度放入3d模式的方法。利用这项新技术，研究人员可以用激光在聚合物支架上形成图案，从而创造出他们想要的任何形状和结构。在把其他有用的材料连接到支架上之后，它们使支架收缩，产生的结构是原来的千分之一。研究人员说：这些微小的结构可能在光学、医学、机器人等许多领域都有应用。
博科园-科学科普：这项技术使用了许多生物学和材料科学实验室已经拥有的设备，使得想要尝试这项技术的研究人员可以广泛使用。博伊登也是麻省理工学院媒体实验室、麦戈文脑科学研究所(McGovern Institute for Brain Research)和科赫综合癌症研究所(Koch Institute for Integrative Cancer Research)的成员，是这篇发表在2018年12月13日《科学》(Science)上论文的资深作者之一。另一位资深作者是Adam Marblestone，他是媒体实验室研究的附属机构，论文的主要作者是研究生Daniel Oran和Samuel Rodriques。
内爆制造
现有制造纳米结构的技术在它们所能完成方面是有限的。用光在表面蚀刻图案可以产生二维纳米结构，但不适用于三维结构。通过逐渐叠加层来制造三维纳米结构是有可能的，但是这个过程是缓慢和具有挑战性。而且虽然存在直接打印纳米级物体的方法，但它们仅限于聚合物和塑料等特殊材料，这些材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。(例如该技术可以生成一个实心金字塔，但不能生成链接链或空心球。)为了克服这些限制，博伊登和他的学生决定采用他的实验室几年前开发的一种技术，对脑组织进行高分辨率成像。这种技术被称为膨胀显微镜，包括将组织埋入水凝胶中，然后将其膨胀，从而在常规显微镜下实现高分辨率成像。
据艾德·博伊登教授说，许多研究实验室已经储备了这种制造所需的设备。图片：The researchers
生物和医学领域的数百个研究小组目前正在使用膨胀显微镜，因为它可以用普通的硬件实现细胞和组织的三维可视化。通过逆转这一过程，研究人员发现他们可以在膨胀的水凝胶中制造出大型物体，然后将其缩小到纳米尺度，他们将这种方法称为“内爆制造”。正如在膨胀显微镜中所做的那样，研究人员使用了一种由聚丙烯酸酯制成吸水性很强的材料，这种材料通常存在于尿布中，作为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，荧光素分子在被激光激活时附着在支架上。利用双光子显微镜，研究人员将荧光素分子附着在凝胶中的特定位置，这种显微镜可以精确定位结构深处的点。荧光素分子充当锚点，可以与研究人员添加其他类型的分子结合。
可以用灯光把锚固定在你想要的地方，然后你可以把你想要的任何东西固定在锚上。它可能是一个量子点，可能是一段DNA，也可能是一个金纳米颗粒。这有点像胶片摄影术：一种将感光材料置于凝胶中曝光而形成的潜影。然后你可以通过附加另一种材料，银，将潜在的图像发展成真实的图像。通过这种方式，内爆制造可以创造出各种各样的结构，包括梯度结构、非连通结构和多材料模式。一旦想要的分子附着在合适的位置，研究人员就会通过加入酸来缩小整个结构。这种酸阻止了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。使用这项技术，研究人员可以在每一个维度上将物体缩小10倍(整体体积缩小1000倍)。
这种收缩能力不仅可以提高分辨率，还可以在低密度的支架中组装材料。这使得修改变得容易，之后材料在收缩时会变成致密的固体。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，但研究人员意识到，只要使用现有的系统，将材料嵌入这种凝胶中，就可以将它们缩小到纳米级，而不会扭曲模式。目前研究人员可以制造出1立方毫米左右、分辨率为50纳米的物体。在尺寸和分辨率之间有一个权衡:如果研究人员想要制造更大的物体，大约1立方厘米，他们可以达到大约500纳米的分辨率。然而随着这一过程的进一步完善，这一分辨率可能会提高。
更好的光学元件
麻省理工学院的研究小组目前正在探索这项技术的潜在应用，他们预计最早的一些应用可能是在光学领域，例如制造可以用来研究光的基本特性的特殊透镜。研究人员说，这项技术还可以为手机摄像头、显微镜或内窥镜等应用制造更小、更好的镜头。在更远的将来，研究人员称这种方法可以用于制造纳米级电子产品或机器人。研究人员表示你可以用它做各种各样的事情，纳米制造的民主化可能会开辟我们还无法想象的新领域。许多研究实验室已经储备了这种制造所需的设备，用激光可以在许多生物实验室中找到，你可以扫描一个图案，然后沉积金属、半导体或DNA，然后缩小它。
博科园-科学科普｜研究/来自：麻省理工学院
参考期刊文献:《Scienc》
DOI:10.1126/science.aau5119
DOI:10.1126/science.aav5712
博科园-传递宇宙科学之美
网友评论