轉載自百家號作者：博科園
麻省理工學院的研究人員發明了一種製造幾乎任何形狀的奈米級三維物體的方法。他們還可以用各種有用的材料，包括金屬、量子點和DNA，為物體繪製圖案。麻省理工學院（MIT）生物工程和大腦與認知科學副教授愛德華博伊登（EdwardBoyden）表示：這是一種將幾乎任何一種材料以奈米級精度放入3d模式的方法。利用這項新技術，研究人員可以用鐳射在聚合物支架上形成圖案，從而創造出他們想要的任何形狀和結構。在把其他有用的材料連線到支架上之後，它們使支架收縮，產生的結構是原來的千分之一。研究人員說：這些微小的結構可能在光學、醫學、機器人等許多領域都有應用。
博科園-科學科普：這項技術使用了許多生物學和材料科學實驗室已經擁有的裝置，使得想要嘗試這項技術的研究人員可以廣泛使用。博伊登也是麻省理工學院媒體實驗室、麥戈文腦科學研究所（McGovernInstituteforBrainResearch）和科赫綜合癌症研究所（KochInstituteforIntegrativeCancerResearch）的成員，是這篇發表在2018年12月13日《科學》（Science）上論文的資深作者之一。另一位資深作者是AdamMarblestone，他是媒體實驗室研究的附屬機構，論文的主要作者是研究生DanielOran和SamuelRodriques。
內爆製造
現有製造奈米結構的技術在它們所能完成方面是有限的。用光在表面蝕刻圖案可以產生二維奈米結構，但不適用於三維結構。透過逐漸疊加層來製造三維奈米結構是有可能的，但是這個過程是緩慢和具有挑戰性。而且雖然存在直接列印奈米級物體的方法，但它們僅限於聚合物和塑膠等特殊材料，這些材料缺乏許多應用所需的功能特性。此外它們只能生成自支撐結構。（例如該技術可以生成一個實心金字塔，但不能生成連結鏈或空心球。）為了克服這些限制，博伊登和他的學生決定採用他的實驗室幾年前開發的一種技術，對腦組織進行高解析度成像。這種技術被稱為膨脹顯微鏡，包括將組織埋入水凝膠中，然後將其膨脹，從而在常規顯微鏡下實現高解析度成像。
據艾德·博伊登教授說，許多研究實驗室已經儲備了這種製造所需的裝置。圖片：Theresearchers
生物和醫學領域的數百個研究小組目前正在使用膨脹顯微鏡，因為它可以用普通的硬體實現細胞和組織的三維視覺化。透過逆轉這一過程，研究人員發現他們可以在膨脹的水凝膠中製造出大型物體，然後將其縮小到奈米尺度，他們將這種方法稱為“內爆製造”。正如在膨脹顯微鏡中所做的那樣，研究人員使用了一種由聚丙烯酸酯製成吸水性很強的材料，這種材料通常存在於尿布中，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，熒光素分子在被鐳射啟用時附著在支架上。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，這種顯微鏡可以精確定位結構深處的點。熒光素分子充當錨點，可以與研究人員新增其他型別的分子結合。
可以用燈光把錨固定在你想要的地方，然後你可以把你想要的任何東西固定在錨上。它可能是一個量子點，可能是一段DNA，也可能是一個金奈米顆粒。這有點像膠片攝影術：一種將感光材料置於凝膠中曝光而形成的潛影。然後你可以透過附加另一種材料，銀，將潛在的影象發展成真實的影象。透過這種方式，內爆製造可以創造出各種各樣的結構，包括梯度結構、非連通結構和多材料模式。一旦想要的分子附著在合適的位置，研究人員就會透過加入酸來縮小整個結構。這種酸阻止了聚丙烯酸酯凝膠中的負電荷，使它們不再相互排斥，導致凝膠收縮。使用這項技術，研究人員可以在每一個維度上將物體縮小10倍（整體體積縮小1000倍）。
這種收縮能力不僅可以提高解析度，還可以在低密度的支架中組裝材料。這使得修改變得容易，之後材料在收縮時會變成緻密的固體。多年來人們一直試圖發明更好的裝置來製造更小的奈米材料，但研究人員意識到，只要使用現有的系統，將材料嵌入這種凝膠中，就可以將它們縮小到奈米級，而不會扭曲模式。目前研究人員可以製造出1立方毫米左右、解析度為50奈米的物體。在尺寸和解析度之間有一個權衡：如果研究人員想要製造更大的物體，大約1立方厘米，他們可以達到大約500奈米的解析度。然而隨著這一過程的進一步完善，這一解析度可能會提高。
更好的光學元件
麻省理工學院的研究小組目前正在探索這項技術的潛在應用，他們預計最早的一些應用可能是在光學領域，例如製造可以用來研究光的基本特性的特殊透鏡。研究人員說，這項技術還可以為手機攝像頭、顯微鏡或內窺鏡等應用製造更小、更好的鏡頭。在更遠的將來，研究人員稱這種方法可以用於製造奈米級電子產品或機器人。研究人員表示你可以用它做各種各樣的事情，納米制造的民主化可能會開闢我們還無法想象的新領域。許多研究實驗室已經儲備了這種製造所需的裝置，用鐳射可以在許多生物實驗室中找到，你可以掃描一個圖案，然後沉積金屬、半導體或DNA，然後縮小它。
博科園-科學科普｜研究/來自：麻省理工學院
參考期刊文獻：《Scienc》
DOI：10。1126/science。aau5119
DOI：10。1126/science。aav5712
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