کوچک کردن اشیا در مقیاس نانو

کوچک کردن اشیا در مقیاس نانو
0 53

ساختن اشیاء 3 بعدی در مقیاس نانو

محققان MIT راهی برای ساختن اشیاء 3 بعدی در مقیاس نانو تقریباً به هر شکل دلخواه، ابداع کرده‌اند. آن‌ها همچنین می‌توانند اشیا را با انواع مواد مفید، از جمله فلزات، نقاط کوانتومی و DNA الگو قرار دهند.

Edward Boyden، استادیار مهندسی زیستی و علوم مغز و شناختی در MIT می‌گوید:

این راهی برای قرار دادن تقریبا هر نوع ماده‌ای در یک الگوی 3 بعدی با دقتی در حد نانو است.

محققان با استفاده از تکنیک جدید می‌توانند با الگوسازی یک داربست پلیمری با لیزر، شکل و ساختار مورد نظر خود را ایجاد کنند.

پس از اتصال مواد مفید دیگر به داربست، آن را کوچک می‌کنند و ساختارهایی ایجاد می‌کنند که یک هزارم حجم اصلی است.

محققان می‌گویند، این ساختارهای کوچک می‌توانند کاربردهای بسیاری در زمینه‌های متفاوت داشته باشند، از اپتیک گرفته تا پزشکی و روباتیک.

این تکنیک از تجهیزاتی استفاده می‌کند که آزمایشگاه‌های علمی بسیاری از زیست‌شناسی گرفته تا آزمایشگاه علوم مواد در حال حاضر آن را در اختیار دارند و این امر برای محققانی که می‌خواهند آن را امتحان کنند، به طور گسترده‌ای در دسترس قرار می‌دهد.

ساخت انقباضی

روش‌های موجود برای ایجاد نانوساختارها در آنچه که می‌توانند به آن برسند، محدود هستند. حک الگوهای روی سطح با نور می‌تواند نانوساختارهای دو بعدی ایجاد کند اما برای ساختارهای 3 بعدی کار نمی‌کند.

می‌توان با افزودن تدریجی لایه‌هایی روی یکدیگر، نانوساختارهای 3 بعدی ایجاد کرد، اما این روند کند و چالش برانگیز است.

روش‌هایی وجود دارد که می‌تواند به طور مستقیم اشیاء نانو مقیاس را چاپ سه بعدی کند، اما آنها به مواد تخصصی مانند پلیمرها و پلاستیک محدود می‌شوند که فاقد خاصیت عملکردی لازم برای بسیاری از کاربردها هستند. علاوه بر این، این روش‌ها امکان ساخت ساختارهای خود اتکا را دارند. (به عنوان مثال می‌توان یک هرم محکم ساخت اما امکان ساخت زنجیره پیوسته یا کره توخالی وجود ندارد.)

برای غلبه بر این محدودیت‌ها، Boyden و دانش‌آموزانش تصمیم گرفتند از تکنیکی که آزمایشگاه وی چند سال پیش برای تصویربرداری با رزولوشن بالا از بافت مغز ایجاد کرده‌بود، اقتباس کنند.

این تکنیک، که به عنوان میکروسکوپ انبساطی (expansion microscopy) شناخته می‌شود، شامل جاسازی بافت در یک هیدروژل و سپس منبسط شدن آن است و امکان تصویربرداری با رزولوشن بالا با میکروسکوپ معمولی را فراهم می‌آورد.

اکنون صدها گروه تحقیقاتی در زمینه زیست‌شناسی و پزشکی از میکروسکوپ انبساطی استفاده می‌کنند، زیرا تجسم 3 بعدی سلول‌ها و بافت‌ها با سخت‌افزار معمولی را ممکن می‌سازد.

محققان با معکوس کردن این روند، دریافتند كه می‌توانند اشیائی با مقیاس بزرگ كه در هیدروژل‌های منبسط‌شده تعبیه شده‌اند، ایجاد كنند و سپس آنها را در مقیاس نانو کوچک كنند، این روش ساخت انقباضی (Implosion fabrication) نامیده می‌شود.

همانطور که برای میکروسکوپ انبساطی انجام دادند، محققان از ماده‌ای بسیار جاذب ساخته‌شده از پلی‌آکریلات، که معمولاً در پوشک‌ها یافت می‌شود، به عنوان داربست فرآیند نانوساخت خود استفاده کردند.

داربست در محلول حاوی مولکول‌های فلورسین، که هنگام فعال شدن توسط نور لیزر به داربست متصل می‌شوند، قرار دارد.

محققان با استفاده از میکروسکوپ دو فوتونی، که امکان هدف‌گیری دقیق نقاط در اعماق یک ساختار را فراهم می‌کند، مولکول‌های فلورسین را به مکان‌های خاص درون ژل متصل می‌کنند.

مولکول های فلورسین به عنوان لنگرهایی عمل می‌کنند که می‌توانند به انواع دیگر مولکول‌هایی که محققان اضافه می‌کنند، متصل شوند.

Boyden می‌گوید:

شما لنگرهایی را که می‌خواهید، با نور متصل می‌کنید و بعداً می‌توانید هر آنچه را که می‌خواهید به لنگرها وصل کنید.

این می‌تواند یک نقطه کوانتومی باشد، می‌تواند یک قطعه DNA باشد، می تواند نانوذرات طلا باشد.

محققان پس از اتصال مولکول‌های مورد نظر در مکان‌های مناسب، کل ساختار را با افزودن یک اسید کوچک می‌کنند.

اسید، بارهای منفی موجود در ژل پلی‌آکریلات را مسدود می‌کند تا دیگر دفع‌کننده یکدیگر نباشند و باعث انقباض ژل می‌شوند.

محققان با استفاده از این تکنیک می‌توانند اشیاء را در هر بعد 10 برابر کوچک کنند (کاهش کلی در حجم برابر 1000 برابر است).

این قابلیت کوچک‌شدن نه تنها باعث افزایش تفکیک پذیریمی‌شود بلکه امکان سرهم کردن مواد را در یک داربست با چگالی کم امکان‌پذیر می‌کند.

این امکان دسترسی آسان را برای اصلاح (modification) فراهم می‌کند و بعداً وقتی مواد کوچک می‌شوند، جامد متراکم می‌شوند.

در حال حاضر محققان می‌توانند اشیاء تقریباً 1 میلی‌متر مکعبی ایجاد کنند که با رزولوشن 50 نانومتر الگودهی شده‌اند.

موازنه‌ای بین اندازه و رزولوشن وجود دارد: اگر محققان می‌خواهند اشیاء بزرگتر یعنی حدود 1 سانتی‌متر مکعب تهیه کنند، می‌توانند به رزولوشن حدود 500 نانومتر برسند.

با این حال محققان می‌گویند، این رزولوشن با اصلاح بیشتر این فرآیند قابل بهبود است.

اپتیک‌های بهتر

تیم MIT اکنون در حال کشف کاربردهای بالقوه برای این فناوری است و آنها پیش‌بینی می‌کنند که برخی از اولین کاربردها ممکن است در اپتیک باشد؛ برای مثال، ساخت لنزهای تخصصی که می‌توانند برای مطالعه خصوصیات اساسی نور استفاده شوند.

محققان می‌گویند این روش ممکن است منجر به ساخت لنزهای کوچکتر و بهتر را برای کاربردهایی مانند دوربین تلفن همراه، میکروسکوپ یا آندوسکوپ‌ها، شود.

محققان می‌گویند که در آینده دورتر، این روش می‌تواند برای ساخت نانوالکترونیک یا نانوربات‌ها استفاده شود.

Boyden می‌گوید:

کارهای زیادی وجود دارد که می‌توانید با این فناوری انجام دهید. مردمی‌کردن تولید نانو می‌تواند مرزهایی را باز کند که هنوز تصور نمی‌کنیم.

با استفاده از یک لیزر که می‌توانید آن را در بسیاری از آزمایشگاه‌های زیست‌شناسی پیدا کنید، می توانید الگویی را اسکن کرده، سپس فلزات، نیمه‌هادی‌ها یا DNA را بارگزاری کنید و سپس آن را کوچک کنید.

منبع MIT
مقاله Science

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.