Ny nanofremstillingsteknik fremmer billeddannelse, biosensing teknologi

For mere end ti år siden, teoretikere forudsagde muligheden for en nanolens - en kæde af tre nanoskalakugler, der ville fokusere indkommende lys til en plet meget mindre end muligt med konventionel mikroskopi. En sådan anordning ville muliggøre ekstrem høj opløsning billeddannelse eller biologisk sansning. Men videnskabsmænd havde ikke været i stand til at bygge og arrangere mange nanolenser over et stort område.

"Det var der, vi kom ind, " sagde Xiaoying Liu, seniorforsker ved University of Chicagos Institute for Molecular Engineering. Liu og Paul Nealey, Dougan professor i molekylær teknik, gik sammen med eksperter i nanofotonik ved Air Force Research Laboratory og Florida State University for at opfinde en ny måde at bygge nanolenser i store arrays ved hjælp af en kombination af kemiske og litografiske teknikker.

De justerede tre sfæriske guld-nanopartikler af graduerede størrelser i perlestrengsarrangementet, der forudsagdes at producere fokuseringseffekten. Nøglen, sagde Liu, var kontrol:"Vi placerede hver enkelt nanopartikelbyggeblok i præcis den position, vi ønskede, at den skulle gå. Det er essensen af ​​vores fremstillingsteknik."

Holdet beskrev sin teknik i den seneste udgave af Avancerede materialer . Det første trin anvender de litografiske metoder, der bruges til at lave trykte kredsløb til at skabe en kemisk maske. Liu og Nealeys maskeblade afslørede et mønster af tre pletter af aftagende størrelse på et substrat som silicium eller glas, der ikke vil absorbere guld-nanopartiklerne.

Delikate mønstre

Litografi giver mulighed for ekstremt præcise og delikate mønstre, men det kan ikke producere tredimensionelle strukturer. Så forskerne brugte kemi til at bygge oven på det mønstrede substrat i tre dimensioner. De behandlede pletterne med polymerkæder, der derefter blev bundet til substratet gennem kemiske bindinger.

"Den kemiske kontrast mellem de tre pletter og baggrunden gør, at guldpartiklerne kun går til pletterne, " sagde Liu. For at få hver af de tre størrelser af nanosfærer til kun at klæbe til sit eget udpegede sted, forskerne legede med styrken af ​​den kemiske interaktion mellem plet og kugle. "Vi kontrollerer størrelsen af ​​de forskellige områder i det kemiske mønster, og vi kontrollerer interaktionspotentialet af kemien i disse områder med nanopartiklerne, " sagde Nealey.

Kun den største plet har den mængde kraft, der skal til for at tiltrække og fastholde den største partikel; partiklens vekselvirkning med midten og de små pletter er for svag.

Når de store kugler adsorberes, videnskabsmændene bruger det samme trick til at sætte de mellemstore kugler på de mellemstore pletter, og til sidst gå videre til den mindste.

"Det er ligesom historien om de tre bjørne, " sagde Nealey. "Vi kan sætte store på de store pladser, men de vil ikke holde sig til de mindre pletter; sæt derefter den næste størrelse på det mellemstore sted, men det klæber ikke til den lille plet. Ved denne sekventielle fremstilling er vi i stand til at nå frem til disse præcise samlinger af tre forskellige størrelser partikler i umiddelbar nærhed af hinanden."

Små adskillelser

Kuglerne er kun adskilt af få nanometer. Det er denne lille adskillelse, kombineret med den sekventielle rækkefølge af sfærer af forskellig størrelse, som frembringer den nanolensende effekt.

"Du får denne koncentration i intensiteten af ​​lyset mellem de små og mellemstore nanopartikler, " sagde Nealey.

Forskerne er allerede i gang med at udforske brugen af ​​dette "hot spot" til højopløsningsregistrering ved hjælp af spektroskopi. "Hvis du sætter et molekyle der, det vil interagere med det fokuserede lys, " sagde Liu. "Det forbedrede felt ved disse hot spots vil hjælpe dig med at få størrelsesordener stærkere signaler, og det giver os mulighed for at få ultrafølsom sansning. Måske i sidste ende kan vi opdage enkelte molekyler."

Forskerne forudser også at anvende deres fremstillingsteknik på nanopartikler af andre former, såsom stænger og stjerner. "Fysikken i partikler, der er formet anderledes end kugler, muliggør endnu et bredere spektrum af anvendelser, " sagde Nealey.

"Der er en lang række egenskaber, som du kan realisere ved at sætte partikler med asymmetriske former ved siden af ​​hinanden." Metoden vil have bred anvendelse til enhver proces, der kræver præcis placering af materialer i nærheden af ​​de samme eller forskellige typer materialer. Det vil, Nealey forudsiger, "være en del af den måde, nanofremstilling udføres på."