Framsteg inom mikrochipteknologi kan en dag göra det möjligt för läkare att utföra tester för hundratals sjukdomar - sålla ut specifika molekyler, såsom cancerceller i ett tidigt stadium - från bara en droppe blod. Men att tillverka sådana "lab-on-a-chip"-designer -- små, integrerade diagonistiska sensormatriser på ytor så små som en kvadratcentimeter -- är en tekniskt utmanande, tidskrävande och dyr prestation.

Nu, forskare vid MIT har kommit fram till en enkel, exakt och reproducerbar teknik som minskar tiden och kostnaderna för att tillverka sådana sensorer. Nicholas Fang, docent i maskinteknik, har utvecklat en graveringsteknik som etsar små, mönster i nanostorlek på metalliska ytor med hjälp av en liten, spänningsaktiverad stämpel av glas. Fang säger gravyrerna, gjord av små prickar som är mindre än en hundradel bredda av ett människohår, fungerar som optiska antenner som kan identifiera en enskild molekyl genom att fånga upp dess specifika våglängd.

"Om du kan skapa en optisk antenn med exakta dimensioner ... kan du använda dem för att rapportera trafik på molekylär skala, " säger Fang.

Forskarna rapporterade den nya tillverkningsprocessen i den 21 september onlineutgåvan av tidningen Nanoteknik .

Hinder till marknaden

Det nya tillvägagångssättet för glasstämpel kan hjälpa forskare att klara ett stort hinder i tillverkning av laboratorier på ett chip:nämligen, skala upp. Idag tillverkar forskare nanosensorer med hjälp av elektronstrålelitografi, en dyr och tidskrävande teknik som använder en fokuserad elektronstråle för att långsamt etsa in mönster i metallytor. Processen, även om det är extremt exakt, är också extremt dyrt:Fang säger att det är vanligt att anläggningar hyr ut sådan utrustning för 200 dollar per timme. Att tillverka ett sexmillimeter-kvadratmönster tar vanligtvis en halv dag - så om sensorer gjorda med elektronstrålelitografi skjuts in på den kommersiella marknaden, Fang uppskattar att de skulle köra mer än $ 600 styck.

"Ingen vill ha chips så dyra, " säger Fang. "Biologitester letar efter något som är billigt men ändå pålitligt. Och det utesluter en del av de finare, dyrare teknik.”

Det kan också utesluta att vissa billigare tekniker utvecklas idag. Till exempel, nanoimprint litografi är en enkel, lågkostnadsprocess där en formbar polymer pressas på ett masterkretsmönster. När den utsätts för UV-ljus, polymeren härdar; när huvudkretsen dras av, den bildar en form som kan fyllas med ett metallsubstrat för att göra en kopia av det ursprungliga kretsmönstret. Forskare tvättar vanligtvis bort polymerformen för att isolera det nya metallmönstret.

Dock, Fang säger detta tillvägagångssätt, även om det är billigt, kan också vara oprecisa. Det mjuka polymermaterialet kanske inte passar exakt runt originalmönstret, vilket resulterar i en form med stötar, bucklor och andra brister - och kopior som inte är exakt samma som originalet. Eftersom processen kräver att polymerformen tvättas bort, forskare måste använda mer polymermaterial för att tillverka fler kopior.

En glasblåsningsinspiration

Fang och hans kollegor kom på en teknik som kan lösa kostnaden, precision och reproducerbarhet frågor av annan teknik. Teamet tog ett tillvägagångssätt som liknar nanoimprint litografi. Men istället för polymer, forskarna använde glas som formningsmaterial.

"Jag blev inspirerad av glasblåsare, som faktiskt använder sina färdigheter för att forma flaskor och bägare, " säger Fang. "Även om vi tänker på glas som bräckligt, i smältstadiet, den är faktiskt väldigt formbar och mjuk, och kan snabbt och smidigt ta formen av en gipsform. Det är i stor skala, men otroligt nog fungerar det väldigt bra i liten skala också, i mycket hög hastighet."

Med detta i åtanke, Fang och hans team kastade runt efter ett glasartat material som skulle uppfylla deras krav, och hittade en idealisk kandidat i en form av superioniskt glas - glas som delvis består av joner, som kan aktiveras elektrokemiskt när den pumpas med spänning.

Forskarna fyllde en liten spruta med glaspartiklar och värmde upp nålen för att smälta glaset inuti. De pressade sedan det smälta glaset på ett mastermönster, bildar en form som stelnade när den svalnade. Teamet pressade sedan glasformen på ett platt silverunderlag, och applicerade en liten, 90-millivolt elektrisk potential ovanför silverskiktet. De spänningsstimulerade jonerna på båda ytorna, och utlöste glasformen att väsentligen etsa in i metallsubstratet.

Gruppen kunde producera mönster av små prickar, 30 nanometer bred, i mönster av trianglar, rektanglar och, lekfullt, en jonkolonn, med en upplösning som är mer exakt än nanoimprint litografi.

"Du får ett bättre snitt, " säger Fang. "Och vi har en stämpel som kan återanvändas många gånger."

För att verkligen kunna påverka tillverkningen av sensorer i stor skala, gruppen måste bevisa att stämpeln kan återanvändas många, många gånger, enligt S.V. Sreenivasan, professor i maskinteknik vid University of Texas i Austin.

"Det har potential att bli betydligt lägre kostnad för mönstring av metaller som silver, ”Säger Sreenivasan. "Men en process med hög genomströmning med lång stämpelliv behöver fortfarande demonstreras. Ett annat värdefullt bidrag kan vara att fokusera på att återvinna silver som tas bort under mönstringen av metall, eftersom detta skulle ta itu med kostnadskänsliga applikationer ytterligare."

Fang erkänner att det fortfarande finns kostnadsbarriärer för denna glasetsningsprocess:Den kräver fortfarande att man använder ett mastermetalliskt mönster, tillverkad med dyr litografi. Dock, han påpekar att endast ett mästermönster, och en glasstämpel, behövs för att massproducera en hel linje av samma sensor, vilket kan föra storskalig produktion närmare verkligheten.

"Med denna stämpel, Jag kan reproducera kanske tiotals hundratals av dessa sensorer, och var och en av dem kommer att vara nästan identiska, " säger Fang. ”Så det här är en fascinerande framsteg för oss, och låter oss skriva ut mer effektiva antenner."