@ 2018.12.15 , 13:00

麻省团队发明了纳米级物体锻造术

麻省理工学院一团队今日发明了一种制造几乎任何形状的纳米级三维物体的方法。他可以使用各种材料,包括金属、量子点和DNA,来对物体图案编辑。MIT该团队的一位副教授爱德华·博伊登表示这是一种将几乎现有已知的材料以纳米级精度编辑进三维图形的方法。

通过使用该项技术,研究人员可以通过使用激光来制作他们想要的聚合物支架,然后通过将备好的材料附着在支架上,随后他们使用该技术将该支架缩小,可以得到约原有体积千分之一的物体结构!

这项微观建造技术的突破对许多领域而言都是一件好事。从光学仪器到医学仪器再到机器人制造,这项技术可以通过许多生物和材料科学实验室现有的设备来做到,这允许研究人员可以广泛的复刻并尝试这项新技术。

现有制造纳米结构的有其局限性,通过激光表面蚀刻图案可以阐述二维的纳米结构,但是这种方法无法制造三维的纳米结构。理论上通过逐渐在一层层二维纳米结构上来堆叠制造三维纳米结构是可行的,但是这个过程将及其缓慢并且对精度要求极高。而另外一种方法可以直接对纳米尺度的物体进行三维打印,但是却有局限于某几种聚合物和塑料等专用材料,而这些材料却有缺乏许多必备的功能性质。此外该技术只能产生自支撑结构,即只能打印出一个实心的金字塔堆,却无法产生链条和空心球体等物体。

为了攻克这些限制,团队成员们采用了他们几年前开发的一种脑组织高分辨成像技术。这种技术被称为膨胀显微镜,通过将组织嵌入水凝胶中,然后对其进行精准膨胀,从而可以让普通的显微镜都能进行高分辨率的成像。现在已经有成百上千的生物学和医学研究小组正在使用这种技术。

通过对膨胀显微镜技术的逆向思考,他们发现可以制造出嵌入膨胀水凝胶中的大物件,然后将他们缩小至纳米级,他们将此过程称为“内部阿拉胡阿克巴制造技术”。他们通过使用一种常用于尿布中的材料聚丙烯酸酯作为纳米制造过程的支架。他们讲支架在含有荧光素分子的溶液中浸泡,并对荧光素分子进行激光激活时,荧光素遍附着在支架上。然后他们通过双光子显微术将附着在支架上的荧光素分子精准的调整到特定的位置。在整个过程中,荧光素分子始终起到的是定位的作用以便在后期将材料准确附着。

一旦目标材料分子被固定在正确位置,研究人员就通过添加酸来进行“内部阿拉胡阿克巴制造技术”。酸会阻止聚丙烯酸酯凝胶中的负电荷,使它们不再互相排斥,导致凝胶收缩。通过这种体积收缩,可以使物体在三个尺度上都缩小10倍,体积随之缩小1000倍。这种收缩不仅可以提高分辨率,使得在低密度支架中组装材料成为可能。还易于修正,当材料收缩时变成致密的固体。

目前研究人员已经创造出了大约1立方毫米的物体,其表面的图案分辨率为50纳米。在尺寸和分辨率之间有着一定的权衡:如果研究人员想要制造更大的物体,比如1立方厘米,他们只能达到大约500纳米的分辨率。当然这种技术制造过程存在进一步细化和改进的可能性。

这项技术的预期应用领域首选在光学仪器制造领域。可以利用该项技术来研究光的基本特性的专用透镜。还可以制造应用于手机相机、显微镜或内窥镜等仪器的透镜制造,更远的将来说不定还能用来制造纳米级的电子元器件和机器人。

本文译自 phys,由译者 利维坦 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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