Zpět na články

'Kouzelníci' z MITu dokázali zmenšit objekty až na tisícinu jejich objemu

Vědci z Massachusettského technologického institutu (MIT) přišli s novou metodou, která slibuje vytvářet velmi malé objekty s jemnými detaily zhruba 50 nanometrů, navíc prakticky jakéhokoliv tvaru. Čím menší je však nějaký objekt, tím hůře se zpravidla vyrábí a upravuje. "Kouzelníci" z MIT pod vedením profesora Edwarda Boydena proto nejdříve vytvořili model kýženého objektu ve větším měřítku a následně jej speciálním postupem zmenšili až na tisícinu objemu, a to beze změny tvaru, tedy velikostních poměrů. Jak se jim to povedlo?

Lešení obalené finálním materiálem se smrští a vezme s sebou vše, co na něm viselo Lešení obalené finálním materiálem se smrští a vezme s sebou vše, co na něm viselo, zdroj: Massachusetts Institute of Technology

Klasické metody výroby například mikročipů spočívají v tom, že se 3D nanostruktura vyrábí postupným nanášením mnoha tenkých rovinných (2D) vrstev na sebe a jejich další případnou úpravou leptáním, tedy vlastně metodou velmi podobnou 3D tisku. Takový postup je ale většinou pomalý.

Chceme-li výrobní postupy popohnat a tisknout 3D mikroobjekty přímo nebo "najednou", často musíme použít jako materiál speciální polymery a zde navíc existují jistá tvarová omezení. Výsledná struktura také musí "podpírat sebe sama". Můžeme tak třeba vyrobit materiálem vyplněnou pyramidu ale už ne řetízek nebo dutou kouli.

Podstata metody v současnosti vyvíjené na MIT spočívá v tom, že z polyakrylátu (který mimochodem můžeme najít i v dětských plenách) ve formě již vodou nasáknutého čili nafouknutého hydrogelu se vytvoří jen základní lešení, na které se pomocí laseru přichytí molekuly speciální a takto světlem aktivované látky. Teprve přes ně se pak k lešení připojí nanočástice prakticky jakéhokoliv materiálu. Nakonec lešení při dehydrataci hydrogelu jakoby "imploduje" a celá struktura se smrskne na zlomek původních rozměrů, k čemuž dojde v každém směru ve stejné míře, takže se zachová tvar struktury-objektu.

Lešení se pokryje fluorescinem a může se stavět

Samotná trojrozměrná struktura se kolem daného lešení vytvoří takto: klíčem k cílenému připojení finálního materiálu (pro výrobu objektu) k lešení čili prostorové šabloně je zde roztok obsahující speciální fluorescenční sloučeninu, tzv. fluorescin. Do tohoto roztoku se celé lešení ponoří. Molekuly fluorescinu pak po aktivaci laserem pokryjí určená místa na povrchu lešení z polyakrylátu (nestane se tak jen na vnějším povrchu lešení, ale i uvnitř jeho struktury, je však třeba všechna místa důkladně přejet laserem).

K lešení přichycené molekuly fluorescinu pak lze využít jako nástroj pro úchyt nanočástic toho materiálu, ze kterého má být finální objekt vyroben. Může jít nejen o plasty, ale i o kovy jako zlato či stříbro, kvantové tečky, polovodiče nebo o DNA či jiný biologický materiál. Stačí ho jen dopravit na potřebná místa, kde již je přichycen fluorescin.

Autoři princip této metody přirovnávají k procesu vzniku klasické fotografie - laserem aktivované přichycení molekul fluorescinu je analogií vzniku skrytého obrazu díky exponování fotocitlivé vrstvy negativu. Následné pokrytí lešení finálním materiálem je pak analogické jeho vyvolání - přetvoření do viditelné formy.

Díky působení kyseliny se lešení zhroutí "do sebe"

Dalším krokem je "dehydratace" či "denaturace" vnitřního hydrogelového lešení, sloužícího k vytvoření 3D objektu, a to ponořením celého objektu do vhodné kyseliny. Uvnitř materiálu lešení se vlivem působení kyseliny zablokuje působení záporných nábojů, které hydrogel roztahují, a tím se lešení podstatně smrští. K lešení vázaný objekt se tak zmenší v každém ze tří rozměrů zhruba desetkrát. A jelikož jeho objem závisí na lineárním rozměru objektu se třetí mocninou, zmenší se objem celého objektu až tisíckrát.

Výsledkem je tedy zmenšená struktura, která je tvořena tím, co bylo uchyceno na lešení. Jen odpovídající částice leží mnohem blíže k sobě, výsledná struktura má větší hustotu. Objekt je často oproti původnímu stavu také pevnější. Takto lze vytvářet spojité přechody (gradienty) vlastností uvnitř tělesa, více těles nepropojených i vícemateriálové vzory.

Od expanzivní mikroskopie k implozivní výrobě mikro-objektů

Tato metoda je vlastně ve svém hlavním principu přímým opakem tzv. expanzní mikroskopie, tedy metody, která usnadňuje pozorování drobných vzorků biologické tkáně. V rámci tohoto postupu je sledovaná tkáň ponořena do gelu, který když se působením vody roztáhne, vyvolá to i expanzi do něj ponořené tkáně. Tím je výrazně usnadněno pozorování či skenování drobných detailů v příslušných vzorcích tkáně a lze použít i běžné mikroskopy.

V případě "implozivní výroby" nanostruktur pomocí zmenšování objektů, vyvíjené na MIT, jde vlastně o opak expanze, tedy o jakousi dehydratační implozi materiálního nosiče uvnitř příslušné struktury. Během tohoto procesu implodující nosič připojenou či na něm navěšenou strukturu "strhne s sebou" a přinutí ji tak zredukovat své rozměry.

Momentálně takto vědci zkoušeli zmenšit lešení a k němu připojenou strukturu o celkových rozměrech v řádu milimetrů. V zásadě by bylo možné se takto dostat až k finálním strukturám s detaily kolem 50 nanometrů. V první řadě by se takto daly vytvářet přesné součástky z oblasti mikrooptiky a mikrofotoniky (např. speciální mikročočky z optických metamateriálů), dále z oblasti přístrojové medicíny, mikroelektroniky, také součástky pro mikromechaniku a mikro-robotiku.

Metoda "implozivní výroby" se navíc opírá o celkem standardní přístrojové vybavení, kterým už dnes disponují mnohé laboratoře se zaměřením na biologii či vědu o materiálech.

diskuze: 0 příspěvků, nových

Zpět na články