MIT的新研究,MIT科學(xué)家們將此技術(shù)稱為內(nèi)爆制造

科學(xué)加速，科幻成真也在加速。

漫威世界中，蟻人是螞蟻大小的超級英雄，靠一件“變身服”，人類就能在更微觀的世界里大干一場。

現(xiàn)在，類似的科幻想象，被MIT變成現(xiàn)實。

丨小小小，千分之一

但MIT的新研究，并不是靠一件神奇皮衣。

而是更科學(xué)的方法，先造一個相對大的，然后再等比例縮小，直至納米級精度，最后通過3D打印帶到世間。

在剛剛披露的研究結(jié)果中，MIT科學(xué)家們將此技術(shù)稱為內(nèi)爆制造（implosion fabrication）。當(dāng)前，可以實現(xiàn)原始體積千分之一地縮小。

不限材料，不限形狀，人類終于可以創(chuàng)造任何納米級精度的3D物體。

比如說這個結(jié)構(gòu)：

而且，這種方法還適用于多種材料，比如金屬、量子點、DNA全都可以。

要知道，以前要用3D打印分層制造納米級結(jié)構(gòu)，僅限于平面結(jié)構(gòu)或者金字塔之類的簡單幾何形狀，上圖這樣的形狀，復(fù)雜度顯然進入了另一個層次。

“通過這種方法，幾乎可以將任何材料變成納米級的3D形狀”，麻省理工大學(xué)神經(jīng)技術(shù)教授、生物工程與大腦和認(rèn)知科學(xué)副教授Edward Boyden說。

△Edward Boyden

利用這項新技術(shù)，人類就可以使用激光塑造任意形狀和結(jié)構(gòu)的聚合物支架。把其他有用的材料附著到支架上之后，再將其收縮，由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)僅為原始體積的千分之一。

應(yīng)用前景也極具想象力。

MIT科學(xué)家說，這種微小結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用于光學(xué)、醫(yī)學(xué)和機器人等領(lǐng)域。

而且更令人興奮的是，該技術(shù)使用的設(shè)備已經(jīng)存在于許多生物學(xué)和材料學(xué)實驗室。所以很多科學(xué)家都可以進行嘗試。

△實驗設(shè)備

這真真推開了一個新世界大門啊。

你可以想象，假如我們能夠打造一個“腦蟲”大小的機器人，再加以AI等軟件能力，大腦世界和諸多腦疾病，可能就會被向前推進一大步。

或許不用等到下一個世紀(jì)，我們?nèi)祟惥湍茉谔剿餍浅酱蠛５耐瑫r，也可以把原子量子世界看得清楚。

還值得注意的是，這項研究的參與者中，就有腦科學(xué)和癌癥研究的科學(xué)家。

我們剛提到的Edward Boyden，除了作為該研究論文資深作者，還有幾個身份：MIT媒體實驗室、麥戈文腦研究所和科赫綜合癌癥研究所成員。

這項新研究的論文，也已經(jīng)發(fā)表在12月13日出版的《科學(xué)》雜志上。

Boyden教授之外，另一位資深作者是MIT媒體實驗室研究員Adam Marblestone。

而該論文的第一作者，則是研究生Samuel Rodriques和Daniel Oran.

△Samuel Rodriques和Daniel Oran

嗯，大牛帶小牛，江山代有才人出。

丨內(nèi)爆制造

那這項技術(shù)背后究竟是什么樣的原理？

不妨看看MIT的庖丁解牛：

按理說，打造一個很小的物體，最直接的方法是直接造。但目前用于創(chuàng)建納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)面臨很多局限。

用光在表面上蝕刻圖案可以產(chǎn)生2D納米結(jié)構(gòu)，但不適用于3D結(jié)構(gòu)。可以通過逐層添加來制造3D納米結(jié)構(gòu)，但是這個過程太過緩慢，而且頗具挑戰(zhàn)性。

不僅如此，雖然現(xiàn)存的方法可直接進行納米級物體的3D打印，但僅限于聚合物和塑料等專用材料，因而缺乏很多具體應(yīng)用所需的功能特性。

此外，這也只能制作自支撐結(jié)構(gòu)。例如，該技術(shù)可以制作實心金字塔，但不能制作鏈條或空心球之類的。

△實驗設(shè)備

為了突破這些限制，Boyden和他的學(xué)生決定采用他的實驗室?guī)啄昵伴_發(fā)的腦組織高分辨率成像技術(shù)。

這種被稱為擴增顯微鏡的技術(shù)需要將組織嵌入水凝膠中然后使其膨脹，這樣就能使用常規(guī)顯微鏡進行高分辨率成像。

生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的數(shù)百個研究小組現(xiàn)在都在使用擴增顯微鏡，因為它可以用普通硬件實現(xiàn)細(xì)胞和組織的三維可視化。

通過逆轉(zhuǎn)這一過程，研究人員發(fā)現(xiàn)他們可以制作大尺寸的物體，將其嵌入膨脹的水凝膠中，然后再縮小到納米級別，這種方法稱為“內(nèi)爆制造”。

與他們在擴增顯微鏡領(lǐng)域采取的措施相似，研究者使用了一種吸水性很強的材料用作納米加工過程的支架——這種材料是由尿不濕中常見的聚丙烯酸酯制成的。

將支架浸泡在含有熒光素分子的溶液中，被激光激活后，熒光素分子就會附著在支架上。

雙光子顯微鏡可以精確定位結(jié)構(gòu)深處的點，研究人員借助這種設(shè)備將熒光素分子附著到凝膠內(nèi)的特定位置。

熒光素分子相當(dāng)于錨，可以與研究人員添加的其他類型的分子固定在一起。

“你可以用光線將錨固件到你想要的位置，之后便可將任何東西固定到錨上”，Boyden說。

“它可能是一個量子點，可能是一個DNA片段，它可能是一個金納米粒子?！?/p>

這有點像膠片攝影——通過將凝膠中的敏感材料暴露在光線下形成潛像。

然后可以通過附加另一種材料，也就是銀，便可將潛像制作成真實影像。

通過這種方式，內(nèi)爆制造可以創(chuàng)造各種結(jié)構(gòu)，包括漸變形態(tài)、無連接結(jié)構(gòu)和多材料圖案。

一旦所需分子附著到正確的位置，研究人員就會通過添加酸來收縮整個結(jié)構(gòu)。

酸阻斷聚丙烯酸酯凝膠中的負(fù)電荷，使它們不再相互排斥，導(dǎo)致凝膠收縮。

使用這種技術(shù)，研究人員可以將物體的每個維度縮小10倍——整體體積就縮小到了原先的1/1000。

這種收縮能力不僅可以提高分辨率，還可以在低密度支架中組裝材料。這樣可以輕松進行修改。

之后，材料在收縮時，就會變成致密的固體。

“人們多年來一直在努力發(fā)明更好的設(shè)備來制造更小的納米材料，而我們意識到，如果你只是使用現(xiàn)有的系統(tǒng)并將你的材料嵌入這種凝膠中，便可將它們縮小到納米級，但卻不會扭曲圖案”，研究者Rodriques介紹。

目前，研究人員可以創(chuàng)建體積大約為1立方毫米的物體，圖案分辨率為50納米。

尺寸大小和分辨率之間，相互影響。如果研究人員想要制作大約1立方厘米的較大物體，便可達(dá)到約500納米的分辨率。

不過他們也表示，分辨率還可以進一步在過程中被改進。

丨打開新世界

麻省理工學(xué)院的團隊現(xiàn)在正在探索這項技術(shù)的潛在應(yīng)用，他們預(yù)計一些最早的應(yīng)用可能來自光學(xué)領(lǐng)域——例如，可以制作用于研究光的基本屬性的專用鏡頭。

研究人員表示，這項技術(shù)還可以為手機攝像頭、顯微鏡或內(nèi)窺鏡等應(yīng)用制造更小、更好的鏡頭。

他們也認(rèn)為，這種方法在更遠(yuǎn)的未來還可用于構(gòu)建納米級電子設(shè)備或機器人。

“你可以做各種各樣的事情”，Boyden說。

“納米制造技術(shù)普及之后，就有可能開辟我們尚未想象的前沿領(lǐng)域?！?/p>

許多研究實驗室已經(jīng)擁有這種制造方法所需的設(shè)備。

Boyden教授還解釋，現(xiàn)在就可以在許多生物實驗室找到激光設(shè)備，能掃描圖案，然后沉積金屬、半導(dǎo)體或DNA，再將其收縮。

有意思的是，他們還用這種技術(shù)制造了一幅超小型的愛麗絲漫游仙境版畫。方法依然是先制造、再縮?。?/p>

對于這項新技術(shù)，《科學(xué)》雜志也給出了評價，他們認(rèn)為，雖然現(xiàn)在通過增材制造技術(shù)可以裝配各種材料，但這通常涉及組裝一系列堆疊層，也就限制了3D幾何形狀。

MIT的新方法能在凝膠支架內(nèi)打印各種材料，金屬、半導(dǎo)體都包含在內(nèi)。水凝膠脫水之后，它們就會縮小10倍，將特征尺寸推向了納米級。

即便離“變大變小”的原子戰(zhàn)衣幻想還非常遙遠(yuǎn)，但人類又在微觀科學(xué)世界中，邁出了一大步。

如果這項技術(shù)你也能用，你又會造個什么“小”物體呢？