Forscher erfinden eine Methode, um Objekte auf die Nanoskala zu verkleinern

Es ist nicht ganz der Ant-Man-Anzug, aber das System produziert 3D-Strukturen, die ein Tausendstel der Größe der Originale sind. MIT-Forscher haben einen Weg gefunden, nano 3D-Objekte nahezu jeder Form herzustellen. Sie können die Objekte auch mit einer Vielzahl nützlicher Materialien, einschließlich Metallen, Quantenpunkten und DNA, strukturieren.

“Dies ist eine Möglichkeit, nahezu jedes Material mit einer Genauigkeit im Nanomaßstab in ein 3D-Muster zu bringen”, sagt Edward Boyden, die Y. Eva Tan-Professorin für Neurotechnologie und eine außerordentliche Professorin für Biotechnologie und Gehirn- und Kognitionswissenschaften am MIT.

Mit der neuen Technik können die Forscher jede beliebige Form und Struktur erstellen, indem sie ein Polymergerüst mit einem Laser strukturieren. Nachdem sie andere nützliche Materialien an dem Gerüst befestigt haben, verkleinern sie es und erzeugen Strukturen, die ein Tausendstel des Volumens des Originals sind.

Diese kleinen Strukturen könnten in vielen Bereichen Anwendung finden, von der Optik über die Medizin bis zur Robotik, sagen die Forscher. Die Technik verwendet Geräte, die in vielen Biologie- und Materialwissenschaftslabors bereits vorhanden sind, und ist daher für Forscher, die sie ausprobieren möchten, allgemein zugänglich.

Boyden, der auch Mitglied des MIT-Medienlabors, des McGovern Institute für Hirnforschung und des Koch-Instituts für integrative Krebsforschung ist, ist einer der führenden Autoren der Zeitung, die in der Ausgabe vom 13. Dezember von Science erscheint. Der andere ältere Autor ist Adam Marblestone, ein Forschungslabor des Media Lab, und die Hauptautoren der Zeitung sind die Studenten Daniel Oran und Samuel Rodriques.

Implosion-Fertigung

Bestehende Techniken zur Erzeugung von Nanostrukturen sind in ihren Möglichkeiten begrenzt. Das Ätzen von Mustern auf eine Oberfläche mit Licht kann 2D-Nanostrukturen erzeugen, funktioniert jedoch nicht für 3D-Strukturen. Es ist möglich, 3D-Nanostrukturen herzustellen, indem Schichten schrittweise übereinander hinzugefügt werden. Dieser Prozess ist jedoch langsam und herausfordernd. Zwar gibt es Verfahren, mit denen nanoskalige Objekte direkt dreidimensional gedruckt werden können, sie sind jedoch auf spezialisierte Materialien wie Polymere und Kunststoffe beschränkt, denen die für viele Anwendungen erforderlichen funktionellen Eigenschaften fehlen. Darüber hinaus können sie nur freitragende Strukturen erzeugen. (Die Technik kann beispielsweise eine feste Pyramide ergeben, jedoch keine verknüpfte Kette oder Hohlkugel.)

Um diese Einschränkungen zu überwinden, entschlossen sich Boyden und seine Schüler dazu, eine Technik anzupassen, die sein Labor vor einigen Jahren für die hochauflösende Bildgebung von Hirngewebe entwickelt hatte. Bei dieser als Expansionsmikroskopie bekannten Technik wird das Gewebe in ein Hydrogel eingebettet und anschließend expandiert, wodurch eine hochauflösende Bildgebung mit einem normalen Mikroskop ermöglicht wird. Hunderte von Forschergruppen in Biologie und Medizin verwenden jetzt Expansionsmikroskopie, da sie die 3D-Visualisierung von Zellen und Geweben mit gewöhnlicher Hardware ermöglicht.

Indem sie diesen Prozess umkehrten, stellten die Forscher fest, dass sie in expandierten Hydrogelen eingebettete Objekte mit großem Maßstab erstellen und dann auf die Nanoskala verkleinern können. Dies wird als “Implosionsherstellung” bezeichnet.

Wie bei der Expansionsmikroskopie verwendeten die Forscher ein sehr absorbierendes Material aus Polyacrylat, das üblicherweise in Windeln zu finden ist, als Gerüst für ihren Nanofabrikationsprozess. Das Gerüst ist in eine Lösung getaucht, die Moleküle des Fluoreszeins enthält, die sich an das Gerüst anheften, wenn sie durch Laserlicht aktiviert werden.

Mithilfe der Zwei-Photonen-Mikroskopie, die ein präzises Targeting von Punkten tief in einer Struktur ermöglicht, bringen die Forscher Fluorescein-Moleküle an bestimmte Stellen im Gel an. Die Fluoreszeinmoleküle fungieren als Anker, die an andere Arten von Molekülen binden können, die die Forscher hinzufügen.

“Sie befestigen die Anker, wo Sie wollen, mit Licht, und später können Sie an den Ankern befestigen, was Sie wollen”, sagt Boyden. “Es könnte ein Quantenpunkt sein, es könnte ein Stück DNA sein, es könnte ein Goldnanopartikel sein.”

„Es ist ein bisschen wie bei der Filmfotografie – ein latentes Bild entsteht durch Belichtung eines empfindlichen Materials in einem Gel. Sie können dieses latente Bild dann zu einem realen Bild entwickeln, indem Sie anschließend ein anderes Material (Silber) anbringen. Auf diese Weise kann die Implosionsherstellung alle möglichen Strukturen erzeugen, einschließlich Gradienten, nicht verbundene Strukturen und Multimaterialmuster “, sagt Oran.

Sobald die gewünschten Moleküle an den richtigen Stellen angebracht sind, verkleinern die Forscher die gesamte Struktur, indem sie eine Säure hinzufügen. Die Säure blockiert die negativen Ladungen im Polyacrylatgel, so dass sie sich nicht mehr abstoßen, wodurch sich das Gel zusammenzieht. Mit dieser Technik können die Forscher die Objekte in jeder Dimension um das 10-fache verkleinern (um das 1.000-fache Volumen zu reduzieren). Diese Fähigkeit zum Schrumpfen ermöglicht nicht nur eine erhöhte Auflösung, sondern ermöglicht auch das Zusammenfügen von Materialien in einem Gerüst geringer Dichte. Dies ermöglicht einen einfachen Zugriff für Modifikationen. Später wird das Material zu einem dichten Körper, wenn es geschrumpft wird.

„Die Menschen haben schon seit Jahren versucht, bessere Geräte für die Herstellung kleinerer Nanomaterialien zu entwickeln. Wir haben jedoch festgestellt, dass Sie nur vorhandene Systeme verwenden und Ihre Materialien in dieses Gel einbetten können, um sie auf die Nanoskala zu verkleinern, ohne die Muster zu verzerren“, so Rodriques sagt

Derzeit können die Forscher Objekte erstellen, die etwa 1 Kubikmillimeter groß sind und eine Auflösung von 50 Nanometern aufweisen. Es gibt einen Kompromiss zwischen Größe und Auflösung: Wenn die Forscher größere Objekte (etwa 1 Kubikzentimeter) herstellen möchten, können sie eine Auflösung von etwa 500 Nanometern erreichen. Die Auflösung könnte jedoch mit weiteren Verfeinerungen des Prozesses verbessert werden, so die Forscher.

Bessere Optik

Das MIT-Team prüft derzeit mögliche Anwendungen für diese Technologie und erwartet, dass einige der frühesten Anwendungen in der Optik sein könnten – zum Beispiel bei der Herstellung spezieller Linsen, mit denen die grundlegenden Eigenschaften von Licht untersucht werden könnten. Diese Technik könnte auch die Herstellung kleinerer, besserer Objektive für Anwendungen wie Handykameras, Mikroskope oder Endoskope ermöglichen, so die Forscher. Weiter in der Zukunft sagen die Forscher, dass dieser Ansatz verwendet werden könnte, um Elektronik oder Roboter im Nanomaßstab zu bauen.

“Es gibt allerlei Dinge, die Sie damit machen können”, sagt Boyden. “Die Demokratisierung der Nanofabrikation könnte Grenzen eröffnen, die wir uns noch nicht vorstellen können.”

Viele Forschungslabore verfügen bereits über die für diese Art der Fertigung erforderliche Ausrüstung. “Mit einem Laser, den Sie bereits in vielen Biologielaboren finden, können Sie ein Muster scannen, Metalle, Halbleiter oder DNA abscheiden und es dann verkleinern”, sagt Boyden.