科學家發明了新的方法，能將物體縮放到納米尺度

麻省理工學院（MIT）的研究人員發明了一種方法，幾乎可以製造任何形狀的納米級三維物體。

通過這項新技術，研究人員可以用激光在聚合物支架上形成圖案，從而創造出他們想要的任何形狀和結構。在將其他的有用材料連接到支架上之後，再將支架收縮，產生只有原來體積千分之一的結構。

MIT生物工程和大腦與認知科學副教授Edward Boyden說：「 這種方法可以將幾乎任何材料以納米級精度製作成三維模式。」

○ 用激光在更大的結構上形成圖案，然後將其縮小，從而製造出三維納米尺度的物體。這張圖片顯示了一個收縮之前的複雜結構。| 圖片來源：Daniel Oran

從擴展顯微鏡到內爆製造

現有的製造納米結構的技術所能製造的結構是有限的。用光在表面蝕刻圖案可以產生二維納米結構，但這不適用於三維結構。通過將二維結構逐層疊加來製造三維納米結構是可能實現的，但是這個過程很緩慢，且具有挑戰性。

另一方面，雖然存在直接3D列印納米級物體的方法，但這些方法僅限於聚合物和塑料等特殊材料，這些材料缺乏許多應用所需的功能特性。此外，這些方法只能生成自支撐結構，例如，可以製作出一個實心金字塔，但不能製作出鏈狀結構或空心的球面。

為了克服這些限制，Boyden和他的學生決定採用實驗室幾年前開發的一種對腦組織進行高解析度成像的技術。這項技術被稱為擴展顯微鏡（Expansion Microscopy），包括將組織埋入水凝膠中，然後使其擴展，從而在常規顯微鏡下實現高解析度成像。生物和醫學領域的數百個研究小組目前正在使用擴展顯微鏡，因為它可以用普通的硬體實現細胞和組織的三維可視化。

○ MIT的研究人員用擴展顯微鏡對完好無損的腦組織神經元內的蛋白質和RNA進行成像（2006年）。與電子顯微鏡相比，擴展顯微鏡允許研究人員對樣本進行染色，以及觀察蛋白質、RNA等特定分子。| 圖片來源： Yosuke Bando, Fei Chen, Dawen Cai, Ed Boyden, and Young Gyu

研究人員發現，通過逆轉這一過程，可以製造出內嵌於膨脹的水凝膠中的大尺寸物體，然後將其縮小到納米尺寸，他們將這種方法稱為「內爆製造」（implosion fabrication）。

擴展然後收縮

正如在擴展顯微鏡中所做的那樣，研究人員使用了一種由聚丙烯酸酯製成的吸水性很強的材料（這種材料通常存在於尿布中），作為納米製造過程的支架。支架浸泡在含有熒光素分子的溶液中，熒光素分子在被激光激活時會附著在支架上。

雙光子顯微鏡可以精確定位結構深處的點，利用雙光子顯微鏡，研究人員將熒光素分子附著在凝膠中的特定位置。熒光素分子充當錨點，可以與研究人員添加的其他類型的分子結合。

Boyden說：「可以用激光把錨（熒光素分子）固定在想要的地方，然後就可以把想要的任何物質固定在錨上，可以是一個量子點，可以是一段DNA，也可以是一個金納米顆粒。」

Oran說：「這有點像膠片攝影——潛影是通過將凝膠中的感光材料暴露在光線下形成的。然後，可以通過附著另一種材料——銀，將潛影發展成真正的圖像。通過這種方式，內爆製造可以製作出各種各樣的結構，包括梯度結構、非連通結構和多材料圖案。」

○ 內爆製造技術可以用來製造幾乎任何可以想像的形狀。| 圖片來源：Daniel Oran

一旦想要的分子附著在合適的位置，研究人員就會通過加入酸使整個結構收縮。這種酸會屏蔽聚丙烯酸酯凝膠中的負電荷，使它們不再相互排斥，導致凝膠收縮。

使用這項技術，研究人員可以在每一個維度上將物體縮小為原來的1/10，整體體積縮小為原來的1/1000。這種收縮能力不僅可以提高解析度，還使得在低密度的支架中組裝材料成為可能。這使得修改變得容易，之後材料收縮後就會變成緻密的固體。

Rodriques說：「多年來，人們一直試圖發明更好的設備來製造更小的納米材料，但我們意識到，只要使用現有的系統，將材料嵌入凝膠中，就可以將它們縮小到納米尺寸，而不會扭曲圖案結構。」

目前，研究人員可以製造出1立方毫米左右、解析度為50納米的物體。在尺寸和解析度之間有一個權衡：如果研究人員想要製造更大的物體，比如大約1立方厘米，可以達到約500納米的解析度。然而，隨著這一過程的進一步完善，解析度可能會提高。

應用：通往更好的光學

MIT的研究小組目前正在探索這項技術的潛在應用，他們預計最早的一些應用可能是在光學領域，例如，製造可以用來研究光的基本性質的特殊透鏡。或許這項技術還可以用來製造更小、更好的鏡頭，應用於手機攝像頭、顯微鏡、內窺鏡等。在更遠的將來，這種方法可以用來製造納米級電子產品或機器人。

Boyden說：「你可以用這項技術做各種各樣的事情，普及納米製造可能會開闢出我們還無法想像的新領域。」

許多生物學和材料科學實驗室已經擁有納米製造所需的設備，這使得想要嘗試這項技術的研究人員可以廣泛使用它。Boyden說：「使用在許多生物實驗室中都可以找到的激光，就可以掃描圖案，然後沉積金屬、半導體或DNA，然後縮小讓它收縮。」

原文鏈接：

http://news.mit.edu/2018/shrink-any-object-nanoscale-1213

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