Los investigadores del MIT han inventado una forma de fabricar objetos tridimensionales a nanoescala de casi cualquier forma. También pueden modelar los objetos con una variedad de materiales útiles, incluidos metales, puntos cuánticos y ADN.
"Es una forma de poner casi cualquier tipo de material en un patrón tridimensional con precisión a nanoescala", dice Edward Boyden, profesor asociado de ingeniería biológica y ciencias del cerebro y cognitivas en el MIT.
Usando la nueva técnica, los investigadores pueden crear cualquier forma y estructura que deseen modelando un andamio de polímero con un láser. Después de unir otros materiales útiles al andamio, lo encogen, generando estructuras una milésima parte del volumen del original.
Según los investigadores, estas pequeñas estructuras podrían tener aplicaciones en muchos campos, desde la óptica hasta la medicina y la robótica. La técnica utiliza equipos que muchos laboratorios de biología y ciencia de materiales ya tienen, por lo que es ampliamente accesible para los investigadores que quieran probarlo.
Boyden, quien también es miembro del Media Lab del MIT, el Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro y el Instituto Koch para la Investigación Integral del Cáncer, es uno de los autores principales del artículo, que aparece en la edición del 13 de diciembre de ciencia . El otro autor principal es Adam Marblestone, afiliado de investigación de Media Lab, y los autores principales del artículo son los estudiantes graduados Daniel Oran y Samuel Rodriques.
fabricación de implosiones
Las técnicas existentes para crear nanoestructuras son limitadas en lo que pueden lograr. Los patrones de grabado en una superficie con luz pueden producir nanoestructuras 2-D pero no funcionan para estructuras 3-D. Es posible hacer nanoestructuras 3-D gradualmenteagregar capas una encima de la otra, pero este proceso es lento y desafiante, y aunque existen métodos que pueden imprimir directamente objetos en nanoescala en 3D, están restringidos a materiales especializados como polímeros y plásticos, que carecen de las propiedades funcionales necesarias para muchosaplicaciones. Además, solo pueden generar estructuras autoportantes. La técnica puede producir una pirámide sólida, por ejemplo, pero no una cadena vinculada o una esfera hueca.
Para superar estas limitaciones, Boyden y sus estudiantes decidieron adaptar una técnica que su laboratorio desarrolló hace unos años para obtener imágenes de alta resolución del tejido cerebral. Esta técnica, conocida como microscopía de expansión, implica incrustar el tejido en un hidrogel y luego expandirloesto permite imágenes de alta resolución con un microscopio regular. Cientos de grupos de investigación en biología y medicina ahora están utilizando microscopía de expansión, ya que permite la visualización en 3D de células y tejidos con hardware ordinario.
Al revertir este proceso, los investigadores descubrieron que podían crear objetos a gran escala incrustados en hidrogeles expandidos y luego reducirlos a la nanoescala, un enfoque que llaman "fabricación de implosión".
Como lo hicieron para la microscopía de expansión, los investigadores utilizaron un material muy absorbente hecho de poliacrilato, comúnmente encontrado en los pañales, como el andamio para su proceso de nanofabricación. El andamio se baña en una solución que contiene moléculas de fluoresceína, que se adhieren alandamio cuando son activados por luz láser.
Utilizando la microscopía de dos fotones, que permite una orientación precisa de los puntos profundos dentro de una estructura, los investigadores unen las moléculas de fluoresceína a ubicaciones específicas dentro del gel. Las moléculas de fluoresceína actúan como anclajes que pueden unirse a otros tipos de moléculas que los investigadores agregan.
"Adjunta los anclajes donde quieras con luz, y luego puedes unir lo que quieras a los anclajes", dice Boyden. "Podría ser un punto cuántico, podría ser un pedazo de ADN, podría ser un oronanopartículas "
"Es un poco como la fotografía de película: una imagen latente se forma al exponer un material sensible en un gel a la luz. Luego, puede desarrollar esa imagen latente en una imagen real al unir otro material, plata, después. En estela forma en que la fabricación de implosiones puede crear todo tipo de estructuras, incluidos gradientes, estructuras no conectadas y patrones multimateriales ", dice Oran.
Una vez que las moléculas deseadas se unen en los lugares correctos, los investigadores reducen la estructura completa agregando un ácido. El ácido bloquea las cargas negativas en el gel de poliacrilato para que ya no se repelen entre sí, haciendo que el gel se contraiga.Con esta técnica, los investigadores pueden reducir los objetos 10 veces en cada dimensión para una reducción total de 1,000 veces en el volumen. Esta capacidad de reducir no solo permite una mayor resolución, sino que también permite ensamblar materiales en un nivel bajo.andamio de densidad. Esto permite un fácil acceso para la modificación, y más tarde el material se convierte en un sólido denso cuando se encoge.
"La gente ha intentado inventar mejores equipos para fabricar nanomateriales más pequeños durante años, pero nos dimos cuenta de que si solo usa los sistemas existentes e incrusta sus materiales en este gel, puede reducirlos a la nanoescala, sin distorsionar los patrones,"Dice Rodriques.
Actualmente, los investigadores pueden crear objetos de alrededor de 1 milímetro cúbico, con una resolución de 50 nanómetros. Existe una compensación entre tamaño y resolución: si los investigadores quieren hacer objetos más grandes, aproximadamente 1 centímetro cúbico, pueden lograruna resolución de aproximadamente 500 nanómetros. Sin embargo, esa resolución podría mejorarse con un mayor refinamiento del proceso, dicen los investigadores.
Mejor óptica
El equipo del MIT ahora está explorando posibles aplicaciones para esta tecnología, y anticipan que algunas de las primeras aplicaciones podrían ser ópticas, por ejemplo, fabricar lentes especializadas que podrían usarse para estudiar las propiedades fundamentales de la luz. Esta técnica podríaTambién permiten la fabricación de lentes más pequeños y mejores para aplicaciones como cámaras de teléfonos celulares, microscopios o endoscopios, dicen los investigadores. Más adelante en el futuro, los investigadores dicen que este enfoque podría usarse para construir dispositivos electrónicos o robots a nanoescala.
"Hay todo tipo de cosas que puedes hacer con esto", dice Boyden. "Democratizar la nanofabricación podría abrir fronteras que aún no podemos imaginar".
Muchos laboratorios de investigación ya cuentan con el equipo necesario para este tipo de fabricación. "Con un láser que ya puede encontrar en muchos laboratorios de biología, puede escanear un patrón, luego depositar metales, semiconductores o ADN, y luego reducirlo.abajo ", dice Boyden.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Anne Trafton. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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