Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Сжимающиеся гидрогели расширяют возможности нанопроизводства

Сжимающиеся гидрогели расширяют возможности нанопроизводства
Сжимающиеся гидрогели расширяют возможности нанопроизводства

Ученые из Университета Карнеги-Меллона и Китайского университета Гонконга разработали стратегию создания сложных трехмерных наноструктур со сверхвысоким разрешением из различных материалов.

Юнсинь (Леон) Чжао из Университета Карнеги-Меллона и Ши-Чи Чен из Китайского университета Гонконга выдвинули большие идеи по производству наноустройств.

Лаборатория биофотоники Чжао разрабатывает новые методы изучения биологических и патологических процессов в клетках и тканях. С помощью процесса, называемого расширительной микроскопией , лаборатория работает над совершенствованием методов пропорционального увеличения микроскопических образцов, встроенных в гидрогель, что позволяет исследователям видеть мелкие детали без модернизации своих микроскопов.

В 2019 году вдохновляющая беседа с Ши-Чи Ченом, который посетил Карнеги-Меллон в качестве приглашенного докладчика и является профессором факультета машиностроения и автоматизации Китайского университета Гонконга, положила начало сотрудничеству между двумя исследователями. Они думали, что смогут использовать свой объединенный опыт для поиска новых решений давней проблемы микропроизводства: разработки способов уменьшения размера печатаемых наноустройств до десятков нанометров или толщины в несколько атомов.

Их решение противоположно расширенной микроскопии: создать трехмерный рисунок материала в гидрогеле и уменьшить его до наноразмерного разрешения.

«Ши-Чи известен тем, что изобрел сверхбыструю систему двухфотонной литографии », — сказал Чжао, доцент кафедры развития карьеры семьи Эберли. «Мы встретились во время его визита в Карнеги-Меллон и решили объединить наши методы и опыт, чтобы реализовать эту радикальную идею».

Результаты сотрудничества открывают новые возможности для разработки сложных наноустройств и публикуются в журнале Science .

В то время как обычные 3D-нанопринтеры фокусируют лазерную точку для последовательной обработки материалов и требуют много времени для завершения дизайна, изобретение Чена изменяет ширину лазерного импульса для формирования узорчатых световых листов, что позволяет получить целостное изображение, содержащее сотни тысяч пикселей. вокселей) для печати сразу без ущерба для осевого разрешения.

Технология изготовления называется двухфотонной фемтосекундной литографией, или FP-TPL. Этот метод до 1000 раз быстрее, чем предыдущие методы нанопечати, и может привести к рентабельной крупномасштабной нанопечати для использования в биотехнологии, фотонике или наноустройствах.

Для этого процесса исследователи направят фемтосекундный двухфотонный лазер на изменение сетчатой ​​структуры и размера пор гидрогеля, что затем создаст границы для диспергируемых в воде материалов. Затем гидрогель погружали в воду, содержащую наночастицы металлов, сплавов, алмазов, молекулярных кристаллов, полимеров или чернил перьевой ручки.

«По счастливой случайности все наноматериалы, которые мы пробовали, автоматически притягивались к печатному рисунку в гидрогеле и прекрасно собирались», — сказал Чжао. «По мере того, как гель сжимается и обезвоживается, материалы становятся еще более плотно упакованными и соединяются друг с другом».

Например, если печатный гидрогель поместить в раствор наночастиц серебра, наночастицы серебра самособерутся в гель вдоль рисунка, напечатанного лазером. По словам Чжао, когда гель высыхает, он может сжиматься до 13 раз по сравнению с первоначальным размером, что делает серебро достаточно плотным, чтобы образовывать наносеребряную проволоку и проводить электричество.

Поскольку гели являются трехмерными, печатные узоры также могут быть трехмерными.

В качестве демонстрации использования этой техники для зашифрованного оптического хранилища — например, того, как компакт-диски и DVD-диски записываются и читаются с помощью лазера — команда разработала и построила семислойную трехмерную наноструктуру, которая после оптической расшифровки читается как «НАУКА».

Каждый слой содержал голограмму буквы размером 200×200 пикселей. После сжатия образца вся структура выглядит как полупрозрачный прямоугольник под оптическим микроскопом. Нужна правильная информация о том, насколько расширить выборку и куда пролить свет, чтобы прочитать информацию.

«Исходя из наших результатов, этот метод может упаковать информацию объемом 5 петабит на крошечном кубическом сантиметре пространства. Это примерно в 2,5 раза больше, чем все академические исследовательские библиотеки США вместе взятые». он сказал.

Чжао сказал, что в будущем цель исследователей — создать функциональные наноустройства из нескольких материалов.

«В конце концов, мы хотели бы использовать новую технологию для производства функциональных наноустройств , таких как наносхемы, нанобиосенсоры или даже нанороботы для различных приложений», — сказал Чжао. «Мы ограничены только нашим воображением».

В тренде