Vooruitgang in microchiptechnologie kan clinici op een dag in staat stellen tests uit te voeren voor honderden ziekten - door specifieke moleculen uit te filteren, zoals kankercellen in een vroeg stadium - van slechts één druppel bloed. Maar het fabriceren van zulke 'lab-on-a-chip'-ontwerpen -- kleine, geïntegreerde diagonale sensorarrays op oppervlakken zo klein als een vierkante centimeter -- is een technisch uitdagende, tijdrovende en dure prestatie.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT hebben een eenvoudige, nauwkeurige en reproduceerbare techniek die de tijd en kosten van het vervaardigen van dergelijke sensoren vermindert. Nicolaas Fang, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, heeft een graveertechniek ontwikkeld die kleine, nano-formaat patronen op metalen oppervlakken met behulp van een kleine, spanning geactiveerde stempel gemaakt van glas. Fang zegt de gravures, gemaakt van kleine puntjes kleiner dan een honderdste van de breedte van een mensenhaar, fungeren als optische antennes die een enkel molecuul kunnen identificeren door zijn specifieke golflengte op te pikken.

"Als je een optische antenne met precieze afmetingen kunt maken ... kun je ze gebruiken om verkeer op moleculaire schaal te rapporteren, ', zegt Fang.

De onderzoekers rapporteerden het nieuwe fabricageproces in de online editie van het tijdschrift van 21 september Nanotechnologie .

Hindernissen op de markt

De nieuwe benadering van glasstempels kan onderzoekers helpen een grote hindernis te nemen bij de productie van lab-on-a-chip:namelijk, vergroot. Tegenwoordig fabriceren wetenschappers nanosensoren met behulp van elektronenstraallithografie, een dure en tijdrovende techniek die gebruik maakt van een gefocusseerde bundel van elektronen om langzaam patronen in metalen oppervlakken te etsen. Het proces, terwijl uiterst nauwkeurig, is ook extreem duur:Fang zegt dat het gebruikelijk is dat faciliteiten dergelijke apparatuur verhuren voor $ 200 per uur. Het vervaardigen van een patroon van zes millimeter in het kwadraat duurt doorgaans een halve dag - dus als sensoren gemaakt met behulp van elektronenstraallithografie op de commerciële markt zouden worden geduwd, Fang schat dat ze meer dan $ 600 per stuk zouden kosten.

“Niemand wil chips die zo duur zijn, ', zegt Fang. "Biologische tests zijn op zoek naar iets dat goedkoop en toch betrouwbaar is. En dat sluit een deel van de liefhebber uit, duurdere technologieën.”

Dat sluit misschien ook uit dat er tegenwoordig goedkopere technologieën worden ontwikkeld. Bijvoorbeeld, nanoimprint lithografie is een eenvoudige, goedkoop proces waarbij een vormbaar polymeer op een mastercircuitpatroon wordt gedrukt. Bij blootstelling aan UV-licht, het polymeer hardt uit; wanneer afgepeld van het hoofdcircuit, het vormt een mal die kan worden gevuld met een metalen substraat om een ​​kopie te maken van het originele circuitpatroon. Wetenschappers wassen de polymeervorm meestal weg om het nieuwe metalen patroon te isoleren.

Echter, Fang zegt deze benadering, hoewel goedkoop, kan ook onnauwkeurig zijn. Het zachte polymeermateriaal past mogelijk niet precies rond het originele patroon, resulterend in een schimmel met bulten, deuken en andere onvolkomenheden - en kopieën die niet precies hetzelfde zijn als het origineel. Omdat het proces vereist dat de polymeervorm wordt weggespoeld, wetenschappers moeten meer polymeermateriaal gebruiken om meer kopieën te maken.

Een glasblazende inspiratie

Fang en zijn collega's bedachten een techniek die de kosten kan oplossen, precisie- en reproduceerbaarheidsproblemen van andere technologieën. Het team koos voor een benadering die vergelijkbaar is met nano-imprintlithografie. Maar in plaats van polymeer, de onderzoekers gebruikten glas als vormmateriaal.

“Ik werd geïnspireerd door glasblazers, die hun vaardigheden daadwerkelijk gebruiken om flessen en bekers te vormen, ', zegt Fang. “Hoewel we glas als kwetsbaar beschouwen, in het gesmolten stadium, het is eigenlijk heel kneedbaar en zacht, en kan snel en soepel de vorm aannemen van een gipsen mal. Dat is op grote schaal, maar verbazingwekkend genoeg werkt het ook heel goed op kleine schaal, op zeer hoge snelheid.”

Met dit in gedachten, Fang en zijn team zochten naar een glasachtig materiaal dat aan hun eisen zou voldoen, en vond een ideale kandidaat in een vorm van superionisch glas - glas dat gedeeltelijk uit ionen bestaat, die elektrochemisch kan worden geactiveerd wanneer met spanning wordt gepompt.

De onderzoekers vulden een kleine injectiespuit met glasdeeltjes en verhitten de naald om het glas erin te smelten. Vervolgens drukten ze het gesmolten glas op een meesterpatroon, vormde een mal die uithardde bij afkoeling. Het team drukte vervolgens de glazen mal op een platte zilveren ondergrond, en een kleine, Elektrische potentiaal van 90 millivolt boven de zilverlaag. De spanning stimuleerde ionen in beide oppervlakken, en triggerde de glazen mal om in wezen in het metalen substraat te etsen.

De groep was in staat om patronen te maken van kleine stippen, 30 nanometer breed, in patronen van driehoeken, rechthoeken en, speels, een ionische kolom, met een resolutie die nauwkeuriger is dan nano-imprintlithografie.

“Je krijgt een betere snit, ', zegt Fang. "En we hebben een stempel die vele malen kan worden hergebruikt."

Om echt een impact te hebben op de productie van sensoren op grote schaal, de groep zal moeten bewijzen dat de postzegel veel hergebruikt kan worden, vele keren, volgens S. V. Sreenivasan, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Texas in Austin.

"Het heeft de potentie om aanzienlijk lagere kosten te hebben voor het modelleren van metalen zoals zilver, ', zegt Sreenivasan. “Echter, een high-throughput-proces met een lange levensduur van de stempel moet nog worden aangetoond. Een andere waardevolle bijdrage zou kunnen zijn om ons te concentreren op het terugwinnen van zilver dat wordt verwijderd tijdens het modelleren van metaal, omdat dit kostengevoelige toepassingen verder zou aanpakken."

Fang erkent dat er nog steeds kostenbarrières zijn voor dit glasetsproces:het vereist nog steeds het gebruik van een master-metallic patroon, gemaakt via dure lithografie. Echter, hij wijst erop dat slechts één hoofdpatroon, en een glazen stempel, nodig is om een ​​hele lijn van dezelfde sensor in massa te produceren, die grootschalige productie dichter bij de realiteit kunnen brengen.

“Met deze postzegel Ik kan misschien tientallen honderden van deze sensoren reproduceren, en elk van hen zal bijna identiek zijn, ', zegt Fang. “Dus dit is een fascinerende vooruitgang voor ons, en stelt ons in staat om efficiëntere antennes te printen."