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老虎機麻省理工學院的科學家找到了將對象縮小到原始尺寸的千分之一的方法

麻省理工學院的科學家找到了一種將物體收縮到其原始大小的千分之一的方法他們現在可以製造幾乎任何形狀的納米級3-D對象。納米級意味著非常小-微觀-我們可以在納米級進行測量下載老虎機一納米等於一米的百萬分之一(1 x 10-9).

研究人員說,他們還可以用幾種不同的材料對物體進行圖案化,包括金屬和量子點。他們還可以用DNA圖案化物體。他們在雜誌上寫了他們的工作 科學(以下引文).

愛德華·博伊登說:

“這是將幾乎所有類型的材料以納米級精度放入3D模式的一種方式。”

博伊登(Boyden)是麻省理工學院麥戈文研究所和麻省理工學院媒體實驗室的生物工程,腦與認知科學副教授。

借助他們的新技術,科學家們可以創建所需的任何結構和形狀。他們通過用激光圖案化聚合物支架來做到這一點。在將其他有用的材料附著到支架上之後,他們將其收縮。他們創建的結構的體積是原始結構的千分之一。

潛在的應用電子老虎機教學 技術的

這組作者說,這些超微型結構可以在醫學,機器人技術,光學和許多其他領域中應用。

他們的技術使用許多材料科學和生物學實驗室中存在的設備。因此,對於想要收縮物體的科學家來說,它將是廣泛可及的。

上圖顯示了收縮之前的複雜結構。 (圖片:news.mit.edu。信用:Daniel Oran)

內爆製造

科學家用來收縮物體的當前技術在其功能上受到限制 老虎機機率可以做。例如,用光將圖案蝕刻到表面上可以產生二維結構。但是,它不適用於3-D結構。

我們可以通過逐層添加來製作3-D納米結構。換句話說,一層在另一層之上,然後在另一層角子老虎機等等。但是,此過程具有挑戰性,並且非常緩慢。儘管有一些方法可以直接3D打印納米級物體,但是我們只能使用特殊的材料,例如塑料和聚合物。這些材料不具備我們在許多應用中所需的功能。

而且,它們只能生成自立結構。例如,該技術可以產生實心金字塔,但不能產生空心球或鏈接鏈。

擴展顯微鏡

博伊登教授和他的學生決定採用一種技術,該技術是他的實驗室幾年前開發的,可以克服這些限制。該技術用於高分辨率腦組織成像。這種技術稱為 擴展顯微鏡.

擴展顯微鏡檢查涉及將組織嵌入水凝膠中,然後對其進行擴展。這可以在常規顯微鏡下實現高分辨率。

數以百計的醫學和生物學研究團隊目前使用擴展顯微鏡,因為它可以使用普通實驗室設備對組織和細胞進行3-D可視化。

研究人員可以使用一種稱為“內爆技術”的MIT技術來創建任何可以想像的形狀。 (圖片:news.mit.edu。信用:Daniel Oran)

逆向收縮對象的過程

研究人員發現,通過逆轉這一過程,他們可以製造出在水凝膠中膨脹的大型物體。然後他們可以將它們縮小到納米級。我們稱這種方法為“內爆製造.’

科學家使用了聚丙烯酸酯製成的非常吸收性的材料,就像他們用於膨脹顯微鏡一樣。聚丙烯酸酯在水中的吸收量是其質量的500至1,000倍。尿布製造商使用聚丙烯酸酯。研究團隊將聚丙烯酸酯用作納米加工工藝的支架。

研究人員將支架浸入含有熒光素分子的溶液中。當激光激活它們時,分子附著在支架上。

研究人員使用雙光子顯微鏡將熒光素分子附著到凝膠內的特定位置。雙光子顯微鏡可精確定位結構內部的位置。

這組作者說,熒光素分子充當錨點,可以與其他類型的分子結合。

博伊登教授說:

“您可以將錨固定在需要的地方,然後再將所需的錨固定在錨上。它可以是量子點,可以是DNA片段,可以是金納米顆粒。”

根據麻省理工學院的說法:“這不完全是“蟻人”套裝,但是系統會生成3D結構,其尺寸(體積)是原始尺寸的千分之一。”

像電影攝影

研究生的合著者丹尼爾·奧蘭(Daniel Oran)說:

“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。然後,您可以通過attachi將潛像顯影為真實圖像DT電子老虎機然後再用另一種材料銀

“通過這種方式,內爆製造可以創建各種結構,包括漸變,未連接的結構和多材料圖案。”

添加酸以收縮物體

一旦將目標分子連接到正確的位置,科學家就添加了一種酸來收縮整個結構。酸阻止了聚丙烯酸酯凝膠的負電荷,使它們不再能夠互相排斥。這導致凝膠收縮。

使用這項技術,科學家可以將物體在每個維度上縮小十倍。因此,體積減少了1,000倍。

這種縮小對象的能力可以實現更高的分辨率。這也使得在低密度支架中組裝材料成為可能。這組作者寫道:“這樣可以輕鬆進行修改,然後縮小材料時,它就會變成緻密的固體。”

使用現有系統收縮對象

研究生的合著者塞繆爾·羅德里克斯(Samuel Rodriques)說:

“多年來,人們一直在嘗試發明更好的設備來製造更小的納米材料,但是我們意識到,只要使用現有系統並將材料嵌入這種凝膠中,就可以將它們縮小到納米級而不會扭曲圖案。”

目前,科學家們可以創建大約1立方毫米,以50納米分辨率圖案化的物體。在分辨率和尺寸之間需要權衡。他們可以用一個立方厘米的物體實現大約500納米的分辨率。

作者說,但是,通過進一步完善工藝,他們可以提高分辨率。

潛在的應用

作者認為,這項技術可能會在光學領域得到應用。例如,製造科學家可以用來研究光的基本特性的專用透鏡。

光學是研究光的性質和行為的物理學分支。

該技術還可以允許製造用於手機相機的更小更好的鏡頭。顯微鏡和內窺鏡也可能會受益於較小的透鏡。

研究人員說,有一天,他們的方法可能會導致創建納米級機器人或電子產品。機器人是我們通常可以編程的機器或設備。我們對它們進行編程以執行特定的事情,即某些任務。

博伊登教授說:

“您可以執行各種操作。使納米加工民主化可能會開拓我們無法想像的前沿領域。”

許多研究實驗室已經擁有這種製造所需的設備。

博伊登教授補充說:

“借助激光,您已經可以在許多生物學實驗室中找到它們,可以掃描圖案,然後沉積金屬,半導體或DNA,然後將其縮小。”

引文

“通過體積沉積和圖案化支架的收縮控制進行3D納米加工,” 愛德華·博伊登(Edward S.Boyden),丹尼爾·奧蘭(Daniel Oran),塞繆爾·G·羅德里克斯(Samuel G.Rodriques),亞當·H·大理石(Adam H.Marblestone),高瑞軒,肖阿薩諾(Shoh Asano),保羅·蒂爾伯格(Paul W. 科學2018年12月14日,第1卷。 362,第6420期,第1281-1285頁。 DOI:10.1126 / science.aau511-9。