MIT發(fā)明了一種方法，幾乎可以制造任何形狀的納米級三維物體

麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員發(fā)明了一種方法，幾乎可以制造任何形狀的納米級三維物體。

通過這項新技術(shù)，研究人員可以用激光在聚合物支架上形成圖案，從而創(chuàng)造出他們想要的任何形狀和結(jié)構(gòu)。在將其他的有用材料連接到支架上之后，再將支架收縮，產(chǎn)生只有原來體積千分之一的結(jié)構(gòu)。

MIT生物工程和大腦與認(rèn)知科學(xué)副教授Edward Boyden說：“這種方法可以將幾乎任何材料以納米級精度制作成三維模式。”

○用激光在更大的結(jié)構(gòu)上形成圖案，然后將其縮小，從而制造出三維納米尺度的物體。這張圖片顯示了一個收縮之前的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。| 圖片來源：Daniel Oran

從擴展顯微鏡到內(nèi)爆制造

現(xiàn)有的制造納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)所能制造的結(jié)構(gòu)是有限的。用光在表面蝕刻圖案可以產(chǎn)生二維納米結(jié)構(gòu)，但這不適用于三維結(jié)構(gòu)。通過將二維結(jié)構(gòu)逐層疊加來制造三維納米結(jié)構(gòu)是可能實現(xiàn)的，但是這個過程很緩慢，且具有挑戰(zhàn)性。

另一方面，雖然存在直接3D打印納米級物體的方法，但這些方法僅限于聚合物和塑料等特殊材料，這些材料缺乏許多應(yīng)用所需的功能特性。此外，這些方法只能生成自支撐結(jié)構(gòu)，例如，可以制作出一個實心金字塔，但不能制作出鏈狀結(jié)構(gòu)或空心的球面。

為了克服這些限制，Boyden和他的學(xué)生決定采用實驗室?guī)啄昵伴_發(fā)的一種對腦組織進行高分辨率成像的技術(shù)。這項技術(shù)被稱為擴展顯微鏡（Expansion Microscopy），包括將組織埋入水凝膠中，然后使其擴展，從而在常規(guī)顯微鏡下實現(xiàn)高分辨率成像。生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的數(shù)百個研究小組目前正在使用擴展顯微鏡，因為它可以用普通的硬件實現(xiàn)細(xì)胞和組織的三維可視化。

○MIT的研究人員用擴展顯微鏡對完好無損的腦組織神經(jīng)元內(nèi)的蛋白質(zhì)和RNA進行成像（2006年）。與電子顯微鏡相比，擴展顯微鏡允許研究人員對樣本進行染色，以及觀察蛋白質(zhì)、RNA等特定分子。| 圖片來源： Yosuke Bando, Fei Chen, Dawen Cai, Ed Boyden, and Young Gyu

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過逆轉(zhuǎn)這一過程，可以制造出內(nèi)嵌于膨脹的水凝膠中的大尺寸物體，然后將其縮小到納米尺寸，他們將這種方法稱為“內(nèi)爆制造”（implosion fabrication）。

擴展然后收縮

正如在擴展顯微鏡中所做的那樣，研究人員使用了一種由聚丙烯酸酯制成的吸水性很強的材料（這種材料通常存在于尿布中），作為納米制造過程的支架。支架浸泡在含有熒光素分子的溶液中，熒光素分子在被激光激活時會附著在支架上。

雙光子顯微鏡可以精確定位結(jié)構(gòu)深處的點，利用雙光子顯微鏡，研究人員將熒光素分子附著在凝膠中的特定位置。熒光素分子充當(dāng)錨點，可以與研究人員添加的其他類型的分子結(jié)合。

Boyden說：“可以用激光把錨（熒光素分子）固定在想要的地方，然后就可以把想要的任何物質(zhì)固定在錨上，可以是一個量子點，可以是一段DNA，也可以是一個金納米顆粒?！?/p>

Oran說：“這有點像膠片攝影——潛影是通過將凝膠中的感光材料暴露在光線下形成的。然后，可以通過附著另一種材料——銀，將潛影發(fā)展成真正的圖像。通過這種方式，內(nèi)爆制造可以制作出各種各樣的結(jié)構(gòu)，包括梯度結(jié)構(gòu)、非連通結(jié)構(gòu)和多材料圖案?！?/p>

○內(nèi)爆制造技術(shù)可以用來制造幾乎任何可以想象的形狀。| 圖片來源：Daniel Oran

一旦想要的分子附著在合適的位置，研究人員就會通過加入酸使整個結(jié)構(gòu)收縮。這種酸會屏蔽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。

使用這項技術(shù)，研究人員可以在每一個維度上將物體縮小為原來的1/10，整體體積縮小為原來的1/1000。這種收縮能力不僅可以提高分辨率，還使得在低密度的支架中組裝材料成為可能。這使得修改變得容易，之后材料收縮后就會變成致密的固體。

Rodriques說：“多年來，人們一直試圖發(fā)明更好的設(shè)備來制造更小的納米材料，但我們意識到，只要使用現(xiàn)有的系統(tǒng)，將材料嵌入凝膠中，就可以將它們縮小到納米尺寸，而不會扭曲圖案結(jié)構(gòu)。”

目前，研究人員可以制造出1立方毫米左右、分辨率為50納米的物體。在尺寸和分辨率之間有一個權(quán)衡：如果研究人員想要制造更大的物體，比如大約1立方厘米，可以達到約500納米的分辨率。然而，隨著這一過程的進一步完善，分辨率可能會提高。

應(yīng)用：通往更好的光學(xué)

MIT的研究小組目前正在探索這項技術(shù)的潛在應(yīng)用，他們預(yù)計最早的一些應(yīng)用可能是在光學(xué)領(lǐng)域，例如，制造可以用來研究光的基本性質(zhì)的特殊透鏡?；蛟S這項技術(shù)還可以用來制造更小、更好的鏡頭，應(yīng)用于手機攝像頭、顯微鏡、內(nèi)窺鏡等。在更遠(yuǎn)的將來，這種方法可以用來制造納米級電子產(chǎn)品或機器人。

Boyden說：“你可以用這項技術(shù)做各種各樣的事情，普及納米制造可能會開辟出我們還無法想象的新領(lǐng)域?！?/p>

許多生物學(xué)和材料科學(xué)實驗室已經(jīng)擁有納米制造所需的設(shè)備，這使得想要嘗試這項技術(shù)的研究人員可以廣泛使用它。Boyden說：“使用在許多生物實驗室中都可以找到的激光，就可以掃描圖案，然后沉積金屬、半導(dǎo)體或DNA，然后縮小讓它收縮。”