MIT-forskare har uppfunnit ett sätt att tillverka 3D-objekt i nanoskala av nästan vilken form som helst. De kan också mönstra föremålen med en mängd användbara material, inklusive metaller, kvantprickar, och DNA.

"Det är ett sätt att lägga nästan alla typer av material i ett 3D-mönster med precision i nanoskala, säger Edward Boyden, en docent i biologisk teknik och i hjärn- och kognitionsvetenskap vid MIT.

Med den nya tekniken, forskarna kan skapa vilken form och struktur de vill genom att mönstra en polymerställning med laser. Efter att ha fäst andra användbara material på ställningen, de krymper det, genererar strukturer en tusendels volym av originalet.

Dessa små strukturer kan ha tillämpningar inom många områden, från optik till medicin till robotik, säger forskarna. Tekniken använder utrustning som många biologi- och materialvetenskapslabb redan har, gör det allmänt tillgängligt för forskare som vill prova det.

Boyden, som också är medlem i MIT:s Media Lab, McGovern Institute for Brain Research, och Koch Institute for Integrative Cancer Research, är en av tidningens seniorförfattare, som förekommer i numret 13 december av Vetenskap . Den andra seniorförfattaren är Adam Marblestone, en forskningsfilial inom Media Lab, och tidningens huvudförfattare är doktoranderna Daniel Oran och Samuel Rodriques.

Implosionstillverkning

Befintliga tekniker för att skapa nanostrukturer är begränsade i vad de kan åstadkomma. Etsning av mönster på en yta med ljus kan producera 2D-nanostrukturer men fungerar inte för 3D-strukturer. Det är möjligt att göra 3-D nanostrukturer genom att gradvis lägga till lager ovanpå varandra, men denna process är långsam och utmanande. Och, medan det finns metoder som direkt kan 3D-printa objekt i nanoskala, de är begränsade till specialiserade material som polymerer och plaster, som saknar de funktionella egenskaper som krävs för många tillämpningar. Vidare, de kan bara generera självbärande strukturer. (Tekniken kan ge en solid pyramid, till exempel, men inte en länkad kedja eller en ihålig sfär.)

För att övervinna dessa begränsningar, Boyden och hans elever bestämde sig för att anpassa en teknik som hans labb utvecklade för några år sedan för högupplöst avbildning av hjärnvävnad. Denna teknik, känd som expansionsmikroskopi, involverar att bädda in vävnad i en hydrogel och sedan expandera den, möjliggör högupplöst avbildning med ett vanligt mikroskop. Hundratals forskargrupper inom biologi och medicin använder nu expansionsmikroskopi, eftersom det möjliggör 3D-visualisering av celler och vävnader med vanlig hårdvara.

Genom att vända denna process, forskarna fann att de kunde skapa storskaliga föremål inbäddade i expanderade hydrogeler och sedan krympa dem till nanoskala, ett tillvägagångssätt som de kallar "implosionstillverkning".

Som de gjorde för expansionsmikroskopi, forskarna använde ett mycket absorberande material av polyakrylat, vanligen i blöjor, som ställning för deras nanotillverkningsprocess. Ställningen badas i en lösning som innehåller molekyler av fluorescein, som fäster på ställningen när de aktiveras av laserljus.

Med hjälp av tvåfotonmikroskopi, som möjliggör exakt inriktning av punkter djupt i en struktur, forskarna fäster fluoresceinmolekyler på specifika platser i gelén. Fluoresceinmolekylerna fungerar som ankare som kan binda till andra typer av molekyler som forskarna lägger till.

"Du fäster ankarna där du vill med ljus, och senare kan du fästa vad du vill på ankarna, " säger Boyden. "Det kan vara en kvantprick, det kan vara en bit av DNA, det kan vara en guld nanopartikel."

"Det är lite som filmfotografering - en latent bild bildas genom att ett känsligt material i en gel exponeras för ljus. Sedan, du kan utveckla den latenta bilden till en verklig bild genom att bifoga ett annat material, silver, efteråt. På detta sätt kan implosionstillverkning skapa alla möjliga strukturer, inklusive gradienter, osammanhängande strukturer, och multimaterialmönster, " säger Oran.

När de önskade molekylerna är fästa på rätt platser, forskarna krymper hela strukturen genom att tillsätta en syra. Syran blockerar de negativa laddningarna i polyakrylatgelen så att de inte längre stöter bort varandra, får gelén att dra ihop sig. Genom att använda denna teknik, forskarna kan krympa objekten 10 gånger i varje dimension (för totalt 1, 000-faldig minskning i volym). Denna förmåga att krympa tillåter inte bara ökad upplösning, men gör det också möjligt att montera material i en lågdensitetsställning. Detta möjliggör enkel åtkomst för modifiering, och senare blir materialet ett tätt fast ämne när det krymps.

"Människor har försökt uppfinna bättre utrustning för att göra mindre nanomaterial i flera år, men vi insåg att om du bara använder befintliga system och bäddar in ditt material i denna gel, du kan krympa dem till nanoskalan, utan att förvränga mönstren, säger Rodriques.

För närvarande, forskarna kan skapa föremål som är runt 1 kubikmillimeter, mönstrad med en upplösning på 50 nanometer. Det finns en avvägning mellan storlek och upplösning:Om forskarna vill göra större föremål, ca 1 kubikcentimeter, de kan uppnå en upplösning på cirka 500 nanometer. Dock, att upplösningen skulle kunna förbättras med ytterligare förfining av processen, säger forskarna.

Bättre optik

MIT-teamet undersöker nu potentiella tillämpningar för denna teknik, och de förutser att några av de tidigaste tillämpningarna kan vara inom optik – till exempel, tillverka specialiserade linser som kan användas för att studera ljusets grundläggande egenskaper. Denna teknik kan också möjliggöra tillverkning av mindre, bättre linser för applikationer som mobiltelefonkameror, mikroskop, eller endoskop, säger forskarna. Längre i framtiden, forskarna säger att detta tillvägagångssätt kan användas för att bygga elektronik eller robotar i nanoskala.

"Det finns alla möjliga saker du kan göra med det här, Boyden säger. "En demokratisering av nanotillverkning kan öppna upp gränser som vi ännu inte kan föreställa oss."

Många forskningslabb har redan den utrustning som krävs för denna typ av tillverkning. "Med en laser kan du redan hitta i många biologilabb, du kan skanna ett mönster, avsätt sedan metaller, halvledare, eller DNA, och sedan krympa ner den, säger Boyden.