将物体缩小到纳米尺度

麻省理工学院的研究人员发明了一种制造几乎任何形状的纳米级三维物体的方法。它们还可以使用各种有用的材料对物体进行图案化，包括金属，量子点和DNA。

“这是将几乎任何一种材料都纳入纳米级精度的三维模式的一种方式，”麻省理工学院生物工程和大脑与认知科学副教授爱德华博伊登说。

使用这项新技术，研究人员可以通过用激光图案化聚合物支架来创建他们想要的任何形状和结构。在将其他有用的材料附着到支架上之后，它们将其收缩，产生的结构是原始体积的千分之一。

研究人员说，这些微小的结构可以应用于许多领域，从光学，医学到机器人。该技术使用了许多生物学和材料科学实验室已经拥有的设备，使得想要尝试它的研究人员可以广泛使用它。

博伊登还是麻省理工学院媒体实验室，麦戈文脑研究所和科赫综合癌症研究所的成员，该论文的高级作者之一出现在12月13日出版的“ 科学”杂志上。另一位资深作者是媒体实验室研究会员Adam Marblestone，该论文的主要作者是研究生Daniel Oran和Samuel Rodriques。

内爆制造

用于创建纳米结构的现有技术在它们可以实现的方面受到限制。用光在表面上蚀刻图案可以产生2-D纳米结构，但不适用于3-D结构。可以通过逐层添加层来制造3-D纳米结构，但是这个过程缓慢且具有挑战性。并且，虽然存在可直接3D打印纳米级物体的方法，但它们仅限于聚合物和塑料等专用材料，这些材料缺乏许多应用所需的功能特性。此外，它们只能产生自支撑结构。(例如，该技术可以产生实心金字塔，但不能产生链接链或空心球。)

为了克服这些限制，Boyden和他的学生决定采用他的实验室几年前开发的用于脑组织高分辨率成像的技术。这种被称为扩增显微镜的技术涉及将组织嵌入水凝胶中然后使其膨胀，从而允许使用常规显微镜进行高分辨率成像。生物学和医学领域的数百个研究小组现在正在使用扩展显微镜，因为它可以用普通硬件实现细胞和组织的三维可视化。

通过扭转这一过程，研究人员发现，他们可以创建嵌入膨胀水凝胶中的大型物体，然后将它们缩小到纳米尺度，这种方法称为“内爆制造”。

正如他们在扩展显微镜方面所做的那样，研究人员使用由聚丙烯酸酯制成的非常吸水的材料(通常在尿布中发现)作为纳米加工过程的支架。将支架浸泡在含有荧光素分子的溶液中，当激光激活它们时，荧光素分子附着在支架上。

使用双光子显微镜，可以精确定位结构深处的点，研究人员将荧光素分子附着到凝胶内的特定位置。荧光素分子充当锚，可以与研究人员添加的其他类型的分子结合。

“你可以用光线将锚固件连接到你想要的位置，以后你可以将任何你想要的东西连接到锚固件上，”Boyden说。“它可能是一个量子点，它可能是一块DNA，它可能是一个金纳米粒子。”

“这有点像电影摄影 - 通过将凝胶中的敏感材料暴露在光线下形成潜像。然后，你可以通过附加另一种材料，银色，然后将这种潜像发展成真实的图像。这样就会爆炸制造可以创造各种结构，包括渐变，非连接结构和多材料模式，“奥兰说。

一旦所需分子附着在正确的位置，研究人员就会通过添加酸来收缩整个结构。酸阻断聚丙烯酸酯凝胶中的负电荷，使它们不再相互排斥，导致凝胶收缩。使用这种技术，研究人员可以将物体在每个维度上缩小10倍(体积减少1000倍)。这种收缩能力不仅可以提高分辨率，还可以在低密度支架中组装材料。这样可以轻松进行修改，之后材料在收缩时变成致密的固体。

“人们多年来一直在努力发明更好的设备来制造更小的纳米材料，但我们意识到如果你只是使用现有的系统并将你的材料嵌入这种凝胶中，你可以将它们缩小到纳米尺度，而不会扭曲图案，”Rodriques说。

目前，研究人员可以创建大约1立方毫米的物体，图案分辨率为50纳米。在尺寸和分辨率之间存在权衡：如果研究人员想要制作大约1立方厘米的较大物体，它们可以达到约500纳米的分辨率。然而，研究人员表示，通过进一步完善该过程，可以改善该决议。

更好的光学

麻省理工学院的团队正在探索这项技术的潜在应用，他们预计一些最早的应用可能是光学 - 例如，制作可用于研究光的基本属性的专用镜头。研究人员表示，这项技术还可以为手机照相机，显微镜或内窥镜等应用制造更小，更好的镜头。研究人员表示，这种方法可以用于构建纳米级电子设备或机器人。

“你可以做各种各样的事情，”博伊登说。“纳米制造民主化可能会打开我们无法想象的前沿。”

许多研究实验室已经备有这种制造所需的设备。“你可以在许多生物实验室找到激光，你可以扫描一个模式，然后沉积金属，半导体或DNA，然后将其缩小，”Boyden说。