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Team發明了將對象縮小到納米級的方法

教學科研 | 2018-12-16 | 標簽:它不是Ant-Man套裝,但系統產生的三維結構是原件


麻省理工學院的研究人員發明了一種制造幾乎任何形狀的納米級三維物體的方法。它們還可以使用各種有用的材料對物體進行圖案化,包括金屬,量子點和DNA。

“這是將幾乎任何類型的材料都納入具有納米級精度的三維模式的一種方式,”愛德華·博伊登說,他是神經科學的Y. Eva Tan教授,麻省理工學院生物工程和大腦與認知科學副教授。

使用這項新技術,研究人員可以通過用激光圖案化聚合物支架來創建他們想要的任何形狀和結構。在將其他有用的材料附著到支架上之后,它們將其收縮,產生的結構是原始體積的千分之一。

研究人員說,這些微小的結構可以應用于許多領域,從光學,醫學到機器人。該技術使用了許多生物學和材料科學實驗室已經擁有的設備,使得想要嘗試它的研究人員可以廣泛使用它。

博伊登還是麻省理工學院媒體實驗室,麥戈文腦研究所和科赫綜合癌癥研究所的成員,該論文的高級作者之一出現在12月13日出版的“ 科學”雜志上。另一位資深作者是媒體實驗室研究會員Adam Marblestone,該論文的主要作者是研究生Daniel Oran和Samuel Rodriques。

內爆制造

用于創建納米結構的現有技術在它們可以實現的方面受到限制。用光在表面上蝕刻圖案可以產生2-D納米結構,但不適用于3-D結構??梢酝ㄟ^逐層添加層來制造3-D納米結構,但是這個過程緩慢且具有挑戰性。并且,雖然存在可直接3D打印納米級物體的方法,但它們僅限于聚合物和塑料等專用材料,這些材料缺乏許多應用所需的功能特性。此外,它們只能產生自支撐結構。(例如,該技術可以產生實心金字塔,但不能產生鏈狀鏈或空心球。)

為了克服這些限制,博伊登和他的學生決定采用他的實驗室幾年前開發的技術來進行腦組織的高分辨率成像。這種被稱為擴增顯微鏡的技術涉及將組織嵌入水凝膠中然后使其膨脹,從而允許使用常規顯微鏡進行高分辨率成像。生物學和醫學領域的數百個研究小組現在正在使用擴展顯微鏡,因為它可以用普通硬件實現細胞和組織的三維可視化。

通過逆轉這一過程,研究人員發現他們可以創建嵌入膨脹水凝膠中的大型物體,然后將它們縮小到納米尺度,這種方法稱為“內爆制造”。

正如他們在擴展顯微鏡方面所做的那樣,研究人員使用了一種非常吸水的材料,這種材料是由尿布中常見的聚丙烯酸酯制成的,用作納米加工過程的支架。將支架浸泡在含有熒光素分子的溶液中,當激光激活它們時,熒光素分子附著在支架上。

使用雙光子顯微鏡,可以精確定位結構深處的點,研究人員將熒光素分子附著到凝膠內的特定位置。熒光素分子充當錨,可以與研究人員添加的其他類型的分子結合。

“你可以用光線將錨固件連接到你想要的位置,以后你可以將任何你想要的東西連接到錨固件上,”Boyden說。“它可能是一個量子點,它可能是一塊DNA,它可能是一個金納米粒子。”

“這有點像電影攝影 - 通過將凝膠中的敏感材料暴露在光線下形成潛像。然后,您可以通過附加另一種材料銀色,然后將該潛像發展成真實圖像。通過這種方式,內爆制造可以創造各種結構,包括漸變,無連接結構和多材料圖案,“奧蘭說。

一旦所需分子附著在正確的位置,研究人員就會通過添加酸來收縮整個結構。酸阻斷聚丙烯酸酯凝膠中的負電荷,使它們不再相互排斥,導致凝膠收縮。使用這種技術,研究人員可以將物體的每個尺寸縮小10倍(體積減少1000倍)。這種收縮能力不僅可以提高分辨率,還可以在低密度支架中組裝材料。這樣可以輕松進行修改,之后材料在收縮時變成致密的固體。

“人們多年來一直在努力發明更好的設備來制造更小的納米材料,但我們意識到如果你只是使用現有的系統并將你的材料嵌入這種凝膠中,你可以將它們縮小到納米尺度,而不會扭曲圖案,”Rodriques說。

目前,研究人員可以創建大約1立方毫米的物體,圖案分辨率為50納米。在尺寸和分辨率之間存在權衡:如果研究人員想要制作大約1立方厘米的較大物體,它們可以達到約500納米的分辨率。然而,研究人員表示,通過進一步完善該過程,可以改善該決議。

更好的光學

麻省理工學院的團隊現在正在探索這項技術的潛在應用,他們預計一些最早的應用可能是光學 - 例如,制作可用于研究光的基本屬性的專用鏡頭。研究人員表示,這項技術還可以為手機相機,顯微鏡或內窺鏡等應用制造更小,更好的鏡頭。未來研究人員表示,這種方法可用于構建納米級電子設備或機器人。

“你可以做各種各樣的事情,”博伊登說。“民主化納米制造可能會打開我們無法想象的前沿。”

許多研究實驗室已經備有這種制造所需的設備。“你可以在許多生物實驗室找到激光,你可以掃描一個模式,然后沉積金屬,半導體或DNA,然后將其縮小,”Boyden說。

該研究由Kavli夢之隊計劃,HHMI-Simons學院學者計劃,開放慈善項目,John Doerr,海軍研究辦公室,國立衛生研究院,紐約干細胞基金會 - 羅伯森獎,美國陸軍研究辦公室,K。Lisa Yang和Y. Eva Tan,以及麻省理工學院媒體實驗室。
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