收缩水凝胶扩展纳米制造

北京2022.12月28日美国卡内基梅隆大学和中国香港中文大学的研究人员开发了一种能利用各种材料创建超高分辨率、复杂3D纳米结构的策略。研究成果近日发表在《科学》杂志上。

研究团队此次开发的新技术，为微加工领域的长期挑战找到新的解决方案：一种将可印刷纳米设备的尺寸减小到几十纳米长、几个原子厚的方法。他们的方案与传统的被称为膨胀显微镜的方式相反，他们在水凝胶中创建材料的3D图案，并将其缩小以获得纳米级分辨率。

一般3D纳米级打印机聚焦激光点以连续处理材料并需要很长时间才能完成设计，而研究人员开发的飞秒投影双光子光刻技术，能改变激光脉冲的宽度以形成图案化的光片，从而使包含数十万个像素的整个图像在不影响轴向分辨率的情况下立即打印。该方法比以前的纳米打印技术快1000倍，并可能导致具有成本效益的大规模纳米打印用于生物技术、光子学或纳米设备。

研究人员引导飞秒双光子激光修改水凝胶的网络结构和孔径，为水分散性材料创建边界，然后将水凝胶浸入含有金属、合金、金刚石、分子晶体、聚合物或钢笔墨水等纳米颗粒的水中。

纳米材料被自动吸引到水凝胶中的印刷图案上并完美组装。随着凝胶收缩和脱水，材料变得更加密集并相互连接。如果将打印的水凝胶放入银纳米颗粒溶液中，银纳米颗粒会沿着激光打印的图案自组装到凝胶中。随着凝胶变干，它可收缩到原来大小的1/13，使银密度足以形成纳米银线并导电。

作为该技术在加密光存储中的应用，例如用激光写入和读取CD和DVD，该团队设计并构建了一个7层的3D纳米结构，在光学解密后读取了单词“SCIENCE”。每层包含一个200×200像素的字母全息图。样品收缩后，整个结构在光学显微镜下呈现为半透明矩形。

总编辑圈点

这项新突破，能够在一个微小的立方厘米空间中打包5PB（千万亿字节）的信息——这大约是美国所有学术研究图书馆信息总和的2.5倍。这一技术的初衷，是生物医学领域希望在不升级显微镜的情况下就查看到更多细节，而科学家别出心裁的没有让观察设备“放大”，却让目标对象“缩小”了。未来该技术的应用将非常多元，包括用多种材料构建功能性纳米器件，如纳米电路、纳米生物传感器，甚至是纳米机器人。