MIT研究團隊藉由利用雷射將較大的結構圖案化後再將其縮小得到奈米結構(圖:Daniel Oran)

漫威電影中,蟻人縮小的能力可能成真。麻省理工學院(MIT)團隊開發出一種方法,可以將物體等比例縮小到千分之一

現有技術侷限

現有奈米結構的製造技術有許多侷限。首先,利用光將圖案蝕刻到物體表面上,雖可以製造出 2D 奈米結構,但無法產生 3D 結構。其次,雖然可以利用一層一層堆疊的方法產生 3D 奈米結構,但此步驟過於緩慢且困難度高。即使有方法可直接印出 3D 奈米結構物體,但這些方法通常會限制於特別的材料上,例如聚合物及塑膠,而這些材料通常缺少能應用於多領域上功能性性質。另外,這些方法只能產生能自行支撐的結構。例如,它們能產生實心金字塔,但無法製作鍊條或空心球等複雜結構。

為了克服這些限制,麻省理工學院奈米科技、生醫工程與大腦認知科學專家艾華·博伊頓教授(Edward Boyden)領導的團隊,決定採用一個由其實驗室多年前為了產生高解析度腦組織影像而研發的技術。這種技術稱為「擴展顯微技術」(expansion microscopy),過程中會將腦組織包覆在水凝膠(hydrogel)中並將其擴張,如此就能在一般的顯微鏡下產生高解析度的影像。

經過改良之後,研究人員發現可以用這種技術創造出包覆在水凝膠中的大尺度物品,再將其縮小至奈米尺度,他們將該方法命名為「內爆製造法」(implosion fabrication)。

內爆製造技術

如同擴展顯微技術,研究人員使用了一種由聚丙烯酸鈉(polyacrylate)製成的吸水性凝膠作為奈米製程的骨架。這種骨架被浸泡在含有螢光素(fluorescein)分子的溶液中,這些螢光素被雷射光活化後會附著在骨架上。

研究人員接著使用能精確瞄準結構深處位置的雙光子顯微鏡(two-photon microscopy),將螢光素分子附著在水凝膠內特定的位置上。這種螢光素可以作為連接其他分子的支撐物。博伊頓教授表示:「我們將支撐物附著在想要讓光照射之處,接著就能附著任何東西到支撐物上,可以是量子點、一段 DNA,也可以是一顆金奈米粒子。」

研究人員丹尼爾·歐朗(Daniel Oran)表示:「這有點像是底片攝影,將水凝膠中的光敏感材料曝光後會形成暗影像。然後,我們就可以藉由附著在銀這種材料上,將暗影像轉成真實的影像。如此一來就可以製造出各種不同的結構,例如梯度、內部沒有連接的構造,以及多材料圖案。」

縮小步驟

當所想要的分子已經附著在正確的位置上後,研究人員加入酸來縮小整個結構。酸阻礙了聚丙烯酸鈉凝膠中的負電,所以它們之間不會互相排斥,反而讓凝膠收縮。使用該技術,研究人員可以將物體在每個維度縮小 10 倍(也就是原始體積縮小 1000 倍)。這不僅可以增加解析度,也讓在低密度的骨架中聚集材料變得可能。要進行修改變得容易,在縮小過程中材料也會變成一個高密度的固體。

研究人員山繆·羅德里奎(Samuel Rodriques)表示:「多年來人們致力於發明更好的設備來製造更小的奈米材料,但我們理解到只要利用現有的系統,並將材料嵌入這種水凝膠中,就可以將該材料縮小到奈米等級,也不會扭曲圖案。」

目前,研究人員可以製造出體積約 1 立方公釐的物體,圖案解析度可達 50 奈米。但在大小與解析度上會有所取捨,如果研究人員想要產生約 1 立方公分的較大物體,解析度就只能達到約 500 奈米。不過,根據研究人員表示,解析度的問題可以藉由製程最佳化而得到改善。

未來應用層面

MIT 的研究團隊正在探索該科技的潛在應用,而他們預期最初的應用可能是光學,例如,製造出特製透鏡來研究光的基本性質。此技術也可能用來製造更精巧好用的鏡頭,可用在相機鏡頭、顯微鏡或內視鏡上。未來,研究人員認為該技術甚至能用於建造奈米級的電子產品、醫療儀器或機器人。

博伊頓教授表示:「許多實驗室早已配備有此製程所需要的儀器,只要有雷射,就可以進行圖案化,然後附著金屬、半導體或 DNA,最後再將其縮小即可。這種新技術的應用非常廣泛,如此的奈米製造法可以替我們打開人類還無法想像的界線。」

 

參考資料:

  1. Trafton, A., (2018, December 13). Team invents method to shrink objects to the nanoscale. MIT News
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