Piccoli robot non più grandi di una cellula potrebbero essere prodotti in serie utilizzando un nuovo metodo sviluppato dai ricercatori del MIT. I dispositivi microscopici, che il team chiama "syncells" (abbreviazione di cellule sintetiche), potrebbe eventualmente essere utilizzato per monitorare le condizioni all'interno di un oleodotto o di un gasdotto, o per cercare la malattia mentre fluttua nel flusso sanguigno.

La chiave per realizzare dispositivi così piccoli in grandi quantità risiede in un metodo che il team ha sviluppato per controllare il naturale processo di fratturazione di materiali atomicamente sottili, materiali fragili, dirigere le linee di frattura in modo da produrre minuscole tasche di dimensioni e forma prevedibili. All'interno di queste tasche sono incorporati circuiti elettronici e materiali che possono raccogliere, disco, e dati in uscita.

Il nuovo processo, chiamato "autoperforazione, " è descritto in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Materiali della natura , dal professore del MIT Michael Strano, postdoc Pingwei Liu, studente laureato Albert Liu, e altri otto al MIT.

Il sistema utilizza una forma bidimensionale di carbonio chiamata grafene, che forma la struttura esterna delle minuscole sincelle. Uno strato del materiale viene adagiato su una superficie, poi minuscoli puntini di un materiale polimerico, contenente l'elettronica per i dispositivi, sono depositati da una sofisticata versione da laboratorio di una stampante a getto d'inchiostro. Quindi, sopra viene steso un secondo strato di grafene.

Frattura controllata

La gente pensa al grafene, un materiale ultrasottile ma estremamente resistente, come "floppy, "ma in realtà è fragile, Strano spiega. Ma piuttosto che considerare quella fragilità un problema, la squadra ha capito che poteva essere usata a proprio vantaggio.

"Abbiamo scoperto che puoi usare la fragilità, "dice Strano, chi è Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering al MIT. "È controintuitivo. Prima di questo lavoro, se mi dicessi che puoi fratturare un materiale per controllarne la forma su scala nanometrica, Sarei rimasto incredulo".

Ma il nuovo sistema fa proprio questo. Controlla il processo di fratturazione in modo che, invece di generare frammenti casuali di materiale, come i resti di una finestra rotta, produce pezzi di forma e dimensione uniformi. "Ciò che abbiamo scoperto è che è possibile imporre un campo di deformazione per guidare la frattura, e puoi usarlo per la fabbricazione controllata, "dice Strano.

Quando lo strato superiore di grafene viene posizionato sopra l'array di punti polimerici, che formano colonne rotonde, i punti in cui il grafene ricopre i bordi arrotondati dei pilastri formano linee di forte deformazione nel materiale. Come lo descrive Albert Liu, "immagina una tovaglia che cade lentamente sulla superficie di un tavolo circolare. Si può facilmente visualizzare lo sviluppo della deformazione circolare verso i bordi del tavolo, ed è molto simile a ciò che accade quando un foglio piatto di grafene si piega attorno a questi pilastri polimerici stampati".

Di conseguenza, le fratture si concentrano proprio lungo quei confini, Strano dice. "E poi accade qualcosa di piuttosto sorprendente:il grafene si frattura completamente, ma la frattura sarà guidata intorno alla periferia del pilastro." Il risultato è un netto, pezzo rotondo di grafene che sembra essere stato tagliato di netto da un microscopico perforatore.

Perché ci sono due strati di grafene, sopra e sotto i pilastri in polimero, i due dischi risultanti aderiscono ai bordi per formare qualcosa come una minuscola tasca di pane pita, con il polimero sigillato all'interno. "E il vantaggio qui è che questo è essenzialmente un singolo passo, " a differenza di molti passaggi complessi in camera bianca necessari ad altri processi per cercare di realizzare dispositivi robotici microscopici, Strano dice.

I ricercatori hanno anche dimostrato che altri materiali bidimensionali oltre al grafene, come bisolfuro di molibdeno e boronitruro esagonale, funzionano altrettanto bene.

Robot simili a cellule

Di dimensioni variabili da quelle di un globulo rosso umano, circa 10 micrometri di diametro, fino a circa 10 volte quella dimensione, questi minuscoli oggetti "iniziano ad apparire e a comportarsi come una cellula biologica vivente. Infatti, al microscopio, potresti probabilmente convincere la maggior parte delle persone che si tratta di una cellula, "dice Strano.

Questo lavoro fa seguito a precedenti ricerche di Strano e dei suoi studenti sullo sviluppo di sincelle in grado di raccogliere informazioni sulla chimica o altre proprietà dell'ambiente circostante utilizzando sensori sulla loro superficie, e memorizzare le informazioni per un successivo recupero, per esempio iniettando uno sciame di tali particelle in un'estremità di una conduttura e recuperandole all'altra per ottenere dati sulle condizioni al suo interno. Sebbene le nuove syncell non abbiano ancora tante funzionalità come quelle precedenti, quelli sono stati assemblati singolarmente, considerando che questo lavoro dimostra un modo per produrre facilmente tali dispositivi in ​​serie.

A parte i potenziali usi delle syncell per il monitoraggio industriale o biomedico, il modo in cui sono realizzati i piccoli dispositivi è di per sé un'innovazione con un grande potenziale, secondo Albert Liu. "Questa procedura generale di utilizzo della frattura controllata come metodo di produzione può essere estesa su molte scale di lunghezza, " dice. "[Potrebbe essere potenzialmente utilizzato con] essenzialmente qualsiasi materiale 2-D di scelta, in linea di principio, consentendo ai futuri ricercatori di adattare queste superfici atomicamente sottili in qualsiasi forma o forma desiderata per applicazioni in altre discipline".

Questo è, Albert Liu dice, "uno dei pochi modi disponibili in questo momento per produrre microelettronica integrata stand-alone su larga scala" che può funzionare come indipendente, dispositivi fluttuanti. A seconda della natura dell'elettronica all'interno, i dispositivi potrebbero essere dotati di capacità di movimento, rilevamento di vari prodotti chimici o altri parametri, e archiviazione della memoria.

Esiste un'ampia gamma di potenziali nuove applicazioni per tali dispositivi robotici delle dimensioni di una cella, dice Strano, che descrive molti di questi possibili usi in un libro che ha scritto insieme a Shawn Walsh, un esperto presso i Laboratori di Ricerca dell'Esercito, a questo proposito, denominati "Sistemi Robotici e Piattaforme Autonome, " che viene pubblicato questo mese da Elsevier Press.

A dimostrazione, il team ha "scritto" le lettere M, IO, e T in un array di memoria all'interno di una sincronizzazione, che memorizza le informazioni come vari livelli di conduttività elettrica. Queste informazioni possono quindi essere "lette" utilizzando una sonda elettrica, dimostrando che il materiale può funzionare come una forma di memoria elettronica in cui i dati possono essere scritti, leggere, e cancellato a piacimento. Può anche conservare i dati senza bisogno di alimentazione, consentendo di raccogliere informazioni in un secondo momento. I ricercatori hanno dimostrato che le particelle sono stabili per un periodo di mesi anche quando galleggiano nell'acqua, che è un solvente aggressivo per l'elettronica, secondo Strano.

"Penso che apra un kit di strumenti completamente nuovo per la micro e nanofabbricazione, " lui dice.