收縮水凝膠擴展納米制造

  ICC訊 美國卡內基梅隆大學和中國香港中文大學的研究人員開發(fā)了一種能利用各種材料創(chuàng)建超高分辨率、復雜3D納米結構的策略。研究成果近日發(fā)表在《科學》雜志上。

  研究團隊此次開發(fā)的新技術，為微加工領域的長期挑戰(zhàn)找到新的解決方案：一種將可印刷納米設備的尺寸減小到幾十納米長、幾個原子厚的方法。他們的方案與傳統(tǒng)的被稱為膨脹顯微鏡的方式相反，他們在水凝膠中創(chuàng)建材料的3D圖案，并將其縮小以獲得納米級分辨率。

  一般3D納米級打印機聚焦激光點以連續(xù)處理材料并需要很長時間才能完成設計，而研究人員開發(fā)的飛秒投影雙光子光刻技術，能改變激光脈沖的寬度以形成圖案化的光片，從而使包含數(shù)十萬個像素的整個圖像在不影響軸向分辨率的情況下立即打印。該方法比以前的納米打印技術快1000倍，并可能導致具有成本效益的大規(guī)模納米打印用于生物技術、光子學或納米設備。

  研究人員引導飛秒雙光子激光修改水凝膠的網絡結構和孔徑，為水分散性材料創(chuàng)建邊界，然后將水凝膠浸入含有金屬、合金、金剛石、分子晶體、聚合物或鋼筆墨水等納米顆粒的水中。

  納米材料被自動吸引到水凝膠中的印刷圖案上并完美組裝。隨著凝膠收縮和脫水，材料變得更加密集并相互連接。如果將打印的水凝膠放入銀納米顆粒溶液中，銀納米顆粒會沿著激光打印的圖案自組裝到凝膠中。隨著凝膠變干，它可收縮到原來大小的1/13，使銀密度足以形成納米銀線并導電。

  作為該技術在加密光存儲中的應用，例如用激光寫入和讀取CD和DVD，該團隊設計并構建了一個7層的3D納米結構，在光學解密后讀取了單詞“SCIENCE”。每層包含一個200×200像素的字母全息圖。樣品收縮后，整個結構在光學顯微鏡下呈現(xiàn)為半透明矩形。

  總編輯圈點

  這項新突破，能夠在一個微小的立方厘米空間中打包5PB（千萬億字節(jié)）的信息——這大約是美國所有學術研究圖書館信息總和的2.5倍。這一技術的初衷，是生物醫(yī)學領域希望在不升級顯微鏡的情況下就查看到更多細節(jié)，而科學家別出心裁的沒有讓觀察設備“放大”，卻讓目標對象“縮小”了。未來該技術的應用將非常多元，包括用多種材料構建功能性納米器件，如納米電路、納米生物傳感器，甚至是納米機器人。