Team opfinder metode til at krympe objekter til nanoskalaen

MIT-forskere har opfundet en måde at fremstille nanoskala-3D-objekter i næsten enhver form. De kan også mønstre objekterne med en række nyttige materialer, herunder metaller, kvanteprikker, og DNA.

"Det er en måde at putte næsten enhver form for materiale i et 3D-mønster med nanoskala præcision, "siger Edward Boyden, en lektor i biologisk teknik og i hjerne- og kognitive videnskaber ved MIT.

Ved hjælp af den nye teknik, forskerne kan skabe enhver form og struktur, de ønsker ved at mønstre et polymerstillads med en laser. Efter fastgørelse af andre nyttige materialer til stilladset, de krymper det, genererer strukturer en tusindedel af originalens volumen.

Disse små strukturer kan have applikationer på mange områder, fra optik til medicin til robotik, siger forskerne. Teknikken anvender udstyr, som mange biologi- og materialevidenskabelige laboratorier allerede har, gør det bredt tilgængeligt for forskere, der ønsker at prøve det.

Boyden, som også er medlem af MIT's Media Lab, McGovern Institute for Brain Research, og Koch Institute for Integrative Cancer Research, er en af ​​de højtstående forfattere af papiret, som fremgår af 13. december -udgaven af Videnskab . Den anden seniorforfatter er Adam Marblestone, en Media Lab research affiliate, og papirets hovedforfattere er kandidatstuderende Daniel Oran og Samuel Rodriques.

Implosionsfremstilling

Eksisterende teknikker til at skabe nanostrukturer er begrænsede i, hvad de kan opnå. Ætsning af mønstre på en overflade med lys kan producere 2-D nanostrukturer, men fungerer ikke for 3D-strukturer. Det er muligt at lave 3D-nanostrukturer ved gradvist at tilføje lag oven på hinanden, men denne proces er langsom og udfordrende. Og, mens der findes metoder, der direkte kan 3D-udskrive nanoskalaobjekter, de er begrænset til specialiserede materialer som polymerer og plast, som mangler de funktionelle egenskaber, der er nødvendige for mange applikationer. Desuden, de kan kun generere selvbærende strukturer. (Teknikken kan give en solid pyramide, for eksempel, men ikke en sammenkædet kæde eller en hul kugle.)

For at overvinde disse begrænsninger, Boyden og hans elever besluttede at tilpasse en teknik, som hans laboratorium udviklede for et par år siden til billeddannelse af hjernevæv i høj opløsning. Denne teknik, kendt som ekspansionsmikroskopi, involverer indlejring af væv i en hydrogel og derefter udvidelse, muliggør billedbehandling i høj opløsning med et almindeligt mikroskop. Hundredvis af forskningsgrupper inden for biologi og medicin bruger nu ekspansionsmikroskopi, da det muliggør 3D-visualisering af celler og væv med almindelig hardware.

Ved at vende denne proces, forskerne fandt ud af, at de kunne skabe store objekter indlejret i udvidede hydrogeler og derefter krympe dem til nanoskalaen, en tilgang, som de kalder "implosionsfabrikation".

Som de gjorde for ekspansionsmikroskopi, forskerne brugte et meget absorberende materiale fremstillet af polyacrylat, findes almindeligvis i bleer, som stillads for deres nanofabrikationsproces. Stilladset bades i en opløsning, der indeholder molekyler af fluorescein, som fastgøres til stilladset, når de aktiveres af laserlys.

Ved hjælp af to-foton mikroskopi, som giver mulighed for præcis målretning af punkter dybt inde i en struktur, forskerne knytter fluoresceinmolekyler til bestemte steder i gelen. Fluoresceinmolekylerne fungerer som ankre, der kan binde sig til andre typer molekyler, som forskerne tilføjer.

"Du fastgør ankre, hvor du vil med lys, og senere kan du vedhæfte hvad du vil til ankre, "Boyden siger." Det kan være en kvanteprik, det kan være et stykke DNA, det kan være en guld nanopartikel. "

"Det er lidt ligesom filmfotografering - et latent billede dannes ved at udsætte et følsomt materiale i en gel for lys. Derefter, du kan udvikle det latente billede til et ægte billede ved at vedhæfte et andet materiale, sølv, bagefter. På denne måde kan implosionsfabrikation skabe alle slags strukturer, inklusive gradienter, uforbundne strukturer, og multimateriale mønstre, "Siger Oran.

Når de ønskede molekyler er knyttet til de rigtige steder, forskerne krymper hele strukturen ved at tilføje en syre. Syren blokerer de negative ladninger i polyacrylatgelen, så de ikke længere frastøder hinanden, får gelen til at trække sig sammen. Ved hjælp af denne teknik, forskerne kan krympe objekterne 10 gange i hver dimension (for en samlet 1, 000 gange reduktion i volumen). Denne evne til at krympe giver ikke kun mulighed for øget opløsning, men gør det også muligt at samle materialer i et stillads med lav densitet. Dette giver let adgang til ændringer, og senere bliver materialet et tæt faststof, når det krymper.

"Folk har forsøgt at opfinde bedre udstyr til at lave mindre nanomaterialer i årevis, men vi indså, at hvis du bare bruger eksisterende systemer og indlejrer dine materialer i denne gel, du kan krympe dem ned til nanoskalaen, uden at fordreje mønstrene, "Siger Rodriques.

I øjeblikket, forskerne kan oprette objekter, der er omkring 1 kubik millimeter, mønstret med en opløsning på 50 nanometer. Der er en afvejning mellem størrelse og opløsning:Hvis forskerne vil lave større objekter, omkring 1 kubikcentimeter, de kan opnå en opløsning på cirka 500 nanometer. Imidlertid, at opløsningen kunne forbedres med yderligere forfining af processen, siger forskerne.

Bedre optik

MIT -teamet undersøger nu potentielle applikationer til denne teknologi, og de forudser, at nogle af de tidligste applikationer kan være inden for optik - f.eks. lave specialiserede linser, der kan bruges til at studere de grundlæggende egenskaber ved lys. Denne teknik muligvis også muliggør fremstilling af mindre, bedre objektiver til applikationer såsom mobiltelefon kameraer, mikroskoper, eller endoskoper, siger forskerne. Længere frem i tiden, forskerne siger, at denne tilgang kunne bruges til at bygge nanoskalaelektronik eller robotter.

"Der er alle mulige ting, du kan gøre med dette, "Siger Boyden." Demokratisering af nanofabrikation kan åbne grænser, vi endnu ikke kan forestille os. "

Mange forskningslaboratorier er allerede udstyret med det nødvendige udstyr til denne form for fremstilling. "Med en laser kan du allerede finde i mange biologilaboratorier, du kan scanne et mønster, deponer derefter metaller, halvledere, eller DNA, og derefter skrumpe det ned, "Siger Boyden.