I ricercatori del MIT hanno inventato un modo per fabbricare oggetti 3-D su scala nanometrica di quasi tutte le forme. Possono anche modellare gli oggetti con una varietà di materiali utili, compresi i metalli, punti quantici, e DNA.

"È un modo per inserire quasi ogni tipo di materiale in un modello 3D con precisione su scala nanometrica, "dice Edward Boyden, professore associato di ingegneria biologica e di scienze cerebrali e cognitive al MIT.

Utilizzando la nuova tecnica, i ricercatori possono creare qualsiasi forma e struttura desiderano modellando un'impalcatura polimerica con un laser. Dopo aver fissato altri materiali utili all'impalcatura, lo rimpiccioliscono, generando strutture un millesimo del volume dell'originale.

Queste minuscole strutture potrebbero avere applicazioni in molti campi, dall'ottica alla medicina alla robotica, dicono i ricercatori. La tecnica utilizza apparecchiature che molti laboratori di biologia e scienza dei materiali già dispongono, rendendolo ampiamente accessibile ai ricercatori che vogliono provarlo.

Boyden, che è anche membro del Media Lab del MIT, Istituto McGovern per la ricerca sul cervello, e Koch Institute for Integrative Cancer Research, è uno degli autori senior del documento, che appare nel numero del 13 dicembre di Scienza . L'altro autore senior è Adam Marblestone, un affiliato di ricerca di Media Lab, e gli autori principali del documento sono gli studenti laureati Daniel Oran e Samuel Rodriques.

Fabbricazione per implosione

Le tecniche esistenti per la creazione di nanostrutture sono limitate in ciò che possono realizzare. L'incisione di modelli su una superficie con la luce può produrre nanostrutture 2-D ma non funziona per le strutture 3-D. È possibile realizzare nanostrutture 3D aggiungendo gradualmente strati uno sopra l'altro, ma questo processo è lento e impegnativo. E, mentre esistono metodi in grado di stampare direttamente oggetti in nanoscala in 3D, sono limitati a materiali specializzati come polimeri e plastica, che mancano delle proprietà funzionali necessarie per molte applicazioni. Per di più, possono solo generare strutture autoportanti. (La tecnica può produrre una solida piramide, Per esempio, ma non una catena collegata o una sfera cava.)

Per superare questi limiti, Boyden e i suoi studenti hanno deciso di adattare una tecnica sviluppata dal suo laboratorio alcuni anni fa per l'imaging ad alta risoluzione del tessuto cerebrale. Questa tecnica, nota come microscopia ad espansione, comporta l'incorporamento di tessuto in un idrogel e quindi l'espansione, consentendo l'imaging ad alta risoluzione con un normale microscopio. Centinaia di gruppi di ricerca in biologia e medicina stanno ora utilizzando la microscopia ad espansione, poiché consente la visualizzazione 3D di cellule e tessuti con hardware ordinario.

Invertendo questo processo, i ricercatori hanno scoperto che potevano creare oggetti su larga scala incorporati in idrogel espansi e quindi ridurli su scala nanometrica, un approccio che chiamano "fabbricazione dell'implosione".

Come hanno fatto per la microscopia ad espansione, i ricercatori hanno utilizzato un materiale molto assorbente in poliacrilato, che si trova comunemente nei pannolini, come impalcatura per il loro processo di nanofabbricazione. L'impalcatura è immersa in una soluzione che contiene molecole di fluoresceina, che si attaccano all'impalcatura quando vengono attivati ​​dalla luce laser.

Utilizzando la microscopia a due fotoni, che consente il puntamento preciso di punti in profondità all'interno di una struttura, i ricercatori attaccano le molecole di fluoresceina a posizioni specifiche all'interno del gel. Le molecole di fluoresceina agiscono come ancore che possono legarsi ad altri tipi di molecole che aggiungono i ricercatori.

"Attacca le ancore dove vuoi con la luce, e poi puoi attaccare quello che vuoi alle ancore, " dice Boyden. "Potrebbe essere un punto quantico, potrebbe essere un pezzo di DNA, potrebbe essere una nanoparticella d'oro."

"È un po' come la fotografia su pellicola:un'immagine latente si forma esponendo un materiale sensibile in un gel alla luce. Quindi, puoi trasformare quell'immagine latente in un'immagine reale allegando un altro materiale, d'argento, dopo. In questo modo la fabbricazione dell'implosione può creare tutti i tipi di strutture, compresi i gradienti, strutture non collegate, e modelli multimateriali, "dice Orano.

Una volta che le molecole desiderate sono attaccate nelle posizioni giuste, i ricercatori riducono l'intera struttura aggiungendo un acido. L'acido blocca le cariche negative nel gel di poliacrilato in modo che non si respingano più a vicenda, facendo contrarre il gel. Utilizzando questa tecnica, i ricercatori possono ridurre gli oggetti di 10 volte in ciascuna dimensione (per un totale di 1, riduzione di volume di 000 volte). Questa capacità di ridursi non solo consente una maggiore risoluzione, ma permette anche di assemblare materiali in un'impalcatura a bassa densità. Ciò consente un facile accesso per la modifica, e più tardi il materiale diventa un solido denso quando si restringe.

"Per anni le persone hanno cercato di inventare attrezzature migliori per produrre nanomateriali più piccoli, ma ci siamo resi conto che se usi solo i sistemi esistenti e incorpori i tuoi materiali in questo gel, puoi ridurli fino alla nanoscala, senza stravolgere gli schemi, " dice Rodriques.

Attualmente, i ricercatori possono creare oggetti di circa 1 millimetro cubo, modellato con una risoluzione di 50 nanometri. Esiste un compromesso tra dimensione e risoluzione:se i ricercatori vogliono realizzare oggetti più grandi, circa 1 centimetro cubo, possono raggiungere una risoluzione di circa 500 nanometri. Però, tale risoluzione potrebbe essere migliorata con un ulteriore perfezionamento del processo, dicono i ricercatori.

Ottica migliore

Il team del MIT sta ora esplorando potenziali applicazioni per questa tecnologia, e anticipano che alcune delle prime applicazioni potrebbero essere in ottica, ad esempio, realizzare lenti specializzate che potrebbero essere utilizzate per studiare le proprietà fondamentali della luce. Questa tecnica potrebbe anche consentire la fabbricazione di piccoli, obiettivi migliori per applicazioni come fotocamere dei telefoni cellulari, microscopi, o endoscopi, dicono i ricercatori. Più lontano nel futuro, i ricercatori affermano che questo approccio potrebbe essere utilizzato per costruire elettronica o robot su scala nanometrica.

"Ci sono tutti i tipi di cose che puoi fare con questo, " Dice Boyden. "Democratizzare la nanofabbricazione potrebbe aprire frontiere che non possiamo ancora immaginare".

Molti laboratori di ricerca sono già dotati delle attrezzature necessarie per questo tipo di fabbricazione. "Con un laser che puoi già trovare in molti laboratori di biologia, puoi scansionare un modello, quindi depositare metalli, semiconduttori, o DNA, e poi rimpicciolirlo, "dice Boyden.