麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員發(fā)明了一種方法，幾乎可以制造任何形狀的納米級(jí)三維物體。

通過(guò)這項(xiàng)新技術(shù)，研究人員可以用激光在聚合物支架上形成圖案，從而創(chuàng)造出他們想要的任何形狀和結(jié)構(gòu)。在將其他的有用材料連接到支架上之后，再將支架收縮，產(chǎn)生只有原來(lái)體積千分之一的結(jié)構(gòu)。

MIT生物工程和大腦與認(rèn)知科學(xué)副教授Edward Boyden說(shuō)：“這種方法可以將幾乎任何材料以納米級(jí)精度制作成三維模式?！?/p>

○用激光在更大的結(jié)構(gòu)上形成圖案，然后將其縮小，從而制造出三維納米尺度的物體。這張圖片顯示了一個(gè)收縮之前的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。| 圖片來(lái)源：Daniel Oran

從擴(kuò)展顯微鏡到內(nèi)爆制造

現(xiàn)有的制造納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)所能制造的結(jié)構(gòu)是有限的。用光在表面蝕刻圖案可以產(chǎn)生二維納米結(jié)構(gòu)，但這不適用于三維結(jié)構(gòu)。通過(guò)將二維結(jié)構(gòu)逐層疊加來(lái)制造三維納米結(jié)構(gòu)是可能實(shí)現(xiàn)的，但是這個(gè)過(guò)程很緩慢，且具有挑戰(zhàn)性。

另一方面，雖然存在直接3D打印納米級(jí)物體的方法，但這些方法僅限于聚合物和塑料等特殊材料，這些材料缺乏許多應(yīng)用所需的功能特性。此外，這些方法只能生成自支撐結(jié)構(gòu)，例如，可以制作出一個(gè)實(shí)心金字塔，但不能制作出鏈狀結(jié)構(gòu)或空心的球面。

為了克服這些限制，Boyden和他的學(xué)生決定采用實(shí)驗(yàn)室?guī)啄昵伴_(kāi)發(fā)的一種對(duì)腦組織進(jìn)行高分辨率成像的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)被稱(chēng)為擴(kuò)展顯微鏡（Expansion Microscopy），包括將組織埋入水凝膠中，然后使其擴(kuò)展，從而在常規(guī)顯微鏡下實(shí)現(xiàn)高分辨率成像。生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的數(shù)百個(gè)研究小組目前正在使用擴(kuò)展顯微鏡，因?yàn)樗梢杂闷胀ǖ挠布?shí)現(xiàn)細(xì)胞和組織的三維可視化。

○MIT的研究人員用擴(kuò)展顯微鏡對(duì)完好無(wú)損的腦組織神經(jīng)元內(nèi)的蛋白質(zhì)和RNA進(jìn)行成像（2006年）。與電子顯微鏡相比，擴(kuò)展顯微鏡允許研究人員對(duì)樣本進(jìn)行染色，以及觀察蛋白質(zhì)、RNA等特定分子。| 圖片來(lái)源： Yosuke Bando, Fei Chen, Dawen Cai, Ed Boyden, and Young Gyu

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)逆轉(zhuǎn)這一過(guò)程，可以制造出內(nèi)嵌于膨脹的水凝膠中的大尺寸物體，然后將其縮小到納米尺寸，他們將這種方法稱(chēng)為“內(nèi)爆制造”（implosion fabrication）。

擴(kuò)展然后收縮

正如在擴(kuò)展顯微鏡中所做的那樣，研究人員使用了一種由聚丙烯酸酯制成的吸水性很強(qiáng)的材料（這種材料通常存在于尿布中），作為納米制造過(guò)程的支架。支架浸泡在含有熒光素分子的溶液中，熒光素分子在被激光激活時(shí)會(huì)附著在支架上。

雙光子顯微鏡可以精確定位結(jié)構(gòu)深處的點(diǎn)，利用雙光子顯微鏡，研究人員將熒光素分子附著在凝膠中的特定位置。熒光素分子充當(dāng)錨點(diǎn)，可以與研究人員添加的其他類(lèi)型的分子結(jié)合。

Boyden說(shuō)：“可以用激光把錨（熒光素分子）固定在想要的地方，然后就可以把想要的任何物質(zhì)固定在錨上，可以是一個(gè)量子點(diǎn)，可以是一段DNA，也可以是一個(gè)金納米顆粒?！?/p>

Oran說(shuō)：“這有點(diǎn)像膠片攝影——潛影是通過(guò)將凝膠中的感光材料暴露在光線(xiàn)下形成的。然后，可以通過(guò)附著另一種材料——銀，將潛影發(fā)展成真正的圖像。通過(guò)這種方式，內(nèi)爆制造可以制作出各種各樣的結(jié)構(gòu)，包括梯度結(jié)構(gòu)、非連通結(jié)構(gòu)和多材料圖案?！?/p>

○內(nèi)爆制造技術(shù)可以用來(lái)制造幾乎任何可以想象的形狀。| 圖片來(lái)源：Daniel Oran

一旦想要的分子附著在合適的位置，研究人員就會(huì)通過(guò)加入酸使整個(gè)結(jié)構(gòu)收縮。這種酸會(huì)屏蔽聚丙烯酸酯凝膠中的負(fù)電荷，使它們不再相互排斥，導(dǎo)致凝膠收縮。

使用這項(xiàng)技術(shù)，研究人員可以在每一個(gè)維度上將物體縮小為原來(lái)的1/10，整體體積縮小為原來(lái)的1/1000。這種收縮能力不僅可以提高分辨率，還使得在低密度的支架中組裝材料成為可能。這使得修改變得容易，之后材料收縮后就會(huì)變成致密的固體。

Rodriques說(shuō)：“多年來(lái)，人們一直試圖發(fā)明更好的設(shè)備來(lái)制造更小的納米材料，但我們意識(shí)到，只要使用現(xiàn)有的系統(tǒng)，將材料嵌入凝膠中，就可以將它們縮小到納米尺寸，而不會(huì)扭曲圖案結(jié)構(gòu)?！?/p>

目前，研究人員可以制造出1立方毫米左右、分辨率為50納米的物體。在尺寸和分辨率之間有一個(gè)權(quán)衡：如果研究人員想要制造更大的物體，比如大約1立方厘米，可以達(dá)到約500納米的分辨率。然而，隨著這一過(guò)程的進(jìn)一步完善，分辨率可能會(huì)提高。

應(yīng)用：通往更好的光學(xué)

MIT的研究小組目前正在探索這項(xiàng)技術(shù)的潛在應(yīng)用，他們預(yù)計(jì)最早的一些應(yīng)用可能是在光學(xué)領(lǐng)域，例如，制造可以用來(lái)研究光的基本性質(zhì)的特殊透鏡?；蛟S這項(xiàng)技術(shù)還可以用來(lái)制造更小、更好的鏡頭，應(yīng)用于手機(jī)攝像頭、顯微鏡、內(nèi)窺鏡等。在更遠(yuǎn)的將來(lái)，這種方法可以用來(lái)制造納米級(jí)電子產(chǎn)品或機(jī)器人。

Boyden說(shuō)：“你可以用這項(xiàng)技術(shù)做各種各樣的事情，普及納米制造可能會(huì)開(kāi)辟出我們還無(wú)法想象的新領(lǐng)域?！?/p>

許多生物學(xué)和材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)擁有納米制造所需的設(shè)備，這使得想要嘗試這項(xiàng)技術(shù)的研究人員可以廣泛使用它。Boyden說(shuō)：“使用在許多生物實(shí)驗(yàn)室中都可以找到的激光，就可以?huà)呙鑸D案，然后沉積金屬、半導(dǎo)體或DNA，然后縮小讓它收縮。”