收縮水凝膠擴(kuò)展納米制造

  ICC訊 美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和中國(guó)香港中文大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種能利用各種材料創(chuàng)建超高分辨率、復(fù)雜3D納米結(jié)構(gòu)的策略。研究成果近日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

  研究團(tuán)隊(duì)此次開(kāi)發(fā)的新技術(shù)，為微加工領(lǐng)域的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)找到新的解決方案：一種將可印刷納米設(shè)備的尺寸減小到幾十納米長(zhǎng)、幾個(gè)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?cè)谒z中創(chuàng)建材料的3D圖案，并將其縮小以獲得納米級(jí)分辨率。

  一般3D納米級(jí)打印機(jī)聚焦激光點(diǎn)以連續(xù)處理材料并需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成設(shè)計(jì)，而研究人員開(kāi)發(fā)的飛秒投影雙光子光刻技術(shù)，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(wàn)個(gè)像素的整個(gè)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(shù)快1000倍，并可能導(dǎo)致具有成本效益的大規(guī)模納米打印用于生物技術(shù)、光子學(xué)或納米設(shè)備。

  研究人員引導(dǎo)飛秒雙光子激光修改水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(dòng)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(huì)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(lái)大小的1/13，使銀密度足以形成納米銀線并導(dǎo)電。

  作為該技術(shù)在加密光存儲(chǔ)中的應(yīng)用，例如用激光寫(xiě)入和讀取CD和DVD，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一個(gè)7層的3D納米結(jié)構(gòu)，在光學(xué)解密后讀取了單詞“SCIENCE”。每層包含一個(gè)200×200像素的字母全息圖。樣品收縮后，整個(gè)結(jié)構(gòu)在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)為半透明矩形。

  總編輯圈點(diǎn)

  這項(xiàng)新突破，能夠在一個(gè)微小的立方厘米空間中打包5PB（千萬(wàn)億字節(jié)）的信息——這大約是美國(guó)所有學(xué)術(shù)研究圖書(shū)館信息總和的2.5倍。這一技術(shù)的初衷，是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域希望在不升級(jí)顯微鏡的情況下就查看到更多細(xì)節(jié)，而科學(xué)家別出心裁的沒(méi)有讓觀察設(shè)備“放大”，卻讓目標(biāo)對(duì)象“縮小”了。未來(lái)該技術(shù)的應(yīng)用將非常多元，包括用多種材料構(gòu)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(jī)器人。