MIT-onderzoekers hebben een manier bedacht om 3D-objecten op nanoschaal van bijna elke vorm te fabriceren. Ze kunnen de objecten ook van een patroon voorzien met een verscheidenheid aan nuttige materialen, inclusief metalen, kwantum stippen, en DNA.

"Het is een manier om bijna elk soort materiaal in een 3D-patroon te plaatsen met precisie op nanoschaal, " zegt Edward Boyden, een universitair hoofddocent biologische engineering en hersen- en cognitieve wetenschappen aan het MIT.

Door gebruik te maken van de nieuwe techniek, de onderzoekers kunnen elke gewenste vorm en structuur creëren door een polymeersteiger met een laser te modelleren. Na het bevestigen van andere nuttige materialen aan de steiger, ze verkleinen het, het genereren van structuren een duizendste van het volume van het origineel.

Deze kleine structuren kunnen op veel gebieden worden toegepast, van optica tot medicijnen tot robotica, zeggen de onderzoekers. De techniek maakt gebruik van apparatuur die veel biologie- en materiaalwetenschappelijke laboratoria al hebben, het breed toegankelijk maken voor onderzoekers die het willen proberen.

Boyden, die ook lid is van MIT's Media Lab, McGovern Instituut voor Hersenonderzoek, en Koch Instituut voor Integratief Kankeronderzoek, is een van de senior auteurs van het artikel, die verschijnt in het nummer van 13 december van Wetenschap . De andere senior auteur is Adam Marblestone, een onderzoeksfiliaal van Media Lab, en de hoofdauteurs van de paper zijn afgestudeerde studenten Daniel Oran en Samuel Rodriques.

Implosie fabricage

Bestaande technieken voor het maken van nanostructuren zijn beperkt in wat ze kunnen bereiken. Het etsen van patronen op een oppervlak met licht kan 2D-nanostructuren produceren, maar werkt niet voor 3D-structuren. Het is mogelijk om 3D-nanostructuren te maken door geleidelijk lagen op elkaar toe te voegen, maar dit proces is traag en uitdagend. En, terwijl er methoden bestaan ​​die objecten op nanoschaal direct in 3D kunnen printen, ze zijn beperkt tot gespecialiseerde materialen zoals polymeren en kunststoffen, die de functionele eigenschappen missen die voor veel toepassingen nodig zijn. Verder, ze kunnen alleen zelfdragende structuren genereren. (De techniek kan een solide piramide opleveren, bijvoorbeeld, maar geen geschakelde ketting of een holle bol.)

Om deze beperkingen te overwinnen, Boyden en zijn studenten besloten een techniek aan te passen die zijn laboratorium een ​​paar jaar geleden ontwikkelde voor beeldvorming met hoge resolutie van hersenweefsel. Deze techniek, bekend als expansiemicroscopie, omvat het inbedden van weefsel in een hydrogel en het vervolgens uitbreiden, waardoor beeldvorming met hoge resolutie mogelijk is met een gewone microscoop. Honderden onderzoeksgroepen in biologie en geneeskunde gebruiken nu expansiemicroscopie, omdat het 3D-visualisatie van cellen en weefsels mogelijk maakt met gewone hardware.

Door dit proces om te keren, de onderzoekers ontdekten dat ze grootschalige objecten konden maken die zijn ingebed in geëxpandeerde hydrogels en ze vervolgens konden verkleinen tot nanoschaal, een benadering die ze 'implosiefabricage' noemen.

Zoals ze deden voor expansiemicroscopie, de onderzoekers gebruikten een zeer absorberend materiaal van polyacrylaat, vaak gevonden in luiers, als de steiger voor hun nanofabricageproces. De steiger wordt gebaad in een oplossing die moleculen fluoresceïne bevat, die aan de steiger hechten wanneer ze worden geactiveerd door laserlicht.

Met behulp van twee-fotonenmicroscopie, die nauwkeurige richten van punten diep in een structuur mogelijk maakt, de onderzoekers hechten fluoresceïne-moleculen aan specifieke locaties in de gel. De fluoresceïnemoleculen fungeren als ankers die kunnen binden aan andere soorten moleculen die de onderzoekers toevoegen.

"Je bevestigt de ankers waar je wilt met licht, en later kun je aan de ankers bevestigen wat je maar wilt, " zegt Boyden. "Het zou een kwantumpunt kunnen zijn, het kan een stukje DNA zijn, het zou een gouden nanodeeltje kunnen zijn."

"Het lijkt een beetje op filmfotografie:een latent beeld wordt gevormd door een gevoelig materiaal in een gel aan licht bloot te stellen. je kunt dat latente beeld ontwikkelen tot een echt beeld door er een ander materiaal aan te hechten, zilver, daarna. Op deze manier kan implosiefabricage allerlei structuren creëren, inclusief hellingen, niet-verbonden structuren, en multi-materiële patronen, ' zegt Oran.

Zodra de gewenste moleculen op de juiste locaties zijn bevestigd, de onderzoekers krimpen de hele structuur door een zuur toe te voegen. Het zuur blokkeert de negatieve ladingen in de polyacrylaatgel zodat ze elkaar niet meer afstoten, waardoor de gel samentrekt. Met behulp van deze techniek, de onderzoekers kunnen de objecten 10-voudig verkleinen in elke dimensie (voor een totaal van 1, 000-voudige vermindering van het volume). Deze mogelijkheid om te verkleinen zorgt niet alleen voor een hogere resolutie, maar maakt het ook mogelijk om materialen in een lage densiteitsteiger samen te stellen. Dit zorgt voor gemakkelijke toegang voor wijzigingen, en later wordt het materiaal een dichte vaste stof wanneer het wordt gekrompen.

"Mensen proberen al jaren betere apparatuur uit te vinden om kleinere nanomaterialen te maken, maar we realiseerden ons dat als je gewoon bestaande systemen gebruikt en je materialen in deze gel integreert, je kunt ze verkleinen tot op nanoschaal, zonder de patronen te vervormen, ' zegt Rodriques.

Momenteel, de onderzoekers kunnen objecten maken die ongeveer 1 kubieke millimeter zijn, patroon met een resolutie van 50 nanometer. Er is een afweging tussen grootte en resolutie:als de onderzoekers grotere objecten willen maken, ongeveer 1 kubieke centimeter, ze kunnen een resolutie van ongeveer 500 nanometer bereiken. Echter, dat de resolutie kan worden verbeterd met verdere verfijning van het proces, zeggen de onderzoekers.

Betere optiek

Het MIT-team onderzoekt nu mogelijke toepassingen voor deze technologie, en ze verwachten dat enkele van de vroegste toepassingen in de optica zouden kunnen zijn, bijvoorbeeld het maken van gespecialiseerde lenzen die kunnen worden gebruikt om de fundamentele eigenschappen van licht te bestuderen. Deze techniek zou ook de fabricage van kleinere, betere lenzen voor toepassingen zoals mobiele telefooncamera's, microscopen, of endoscopen, zeggen de onderzoekers. Verder in de toekomst, de onderzoekers zeggen dat deze aanpak kan worden gebruikt om elektronica of robots op nanoschaal te bouwen.

"Hier kun je van alles mee doen, ", zegt Boyden. "Het democratiseren van nanofabricage zou grenzen kunnen openen die we ons nog niet kunnen voorstellen."

Veel onderzoekslaboratoria zijn al voorzien van de apparatuur die nodig is voor dit soort fabricage. "Met een laser die je al in veel biologielabs vindt, je kunt een patroon scannen, dan metalen deponeren, halfgeleiders, of DNA, en dan verkleinen, ' zegt Boyden.