Onderzoekers van de Carnegie Mellon University en de Chinese University of Hong Kong hebben een strategie ontwikkeld voor het maken van ultrahoge resolutie, complexe 3D-nanostructuren uit verschillende materialen.
Yongxin (Leon) Zhao van de Carnegie Mellon University en Shih-Chi Chen van de Chinese University of Hong Kong hebben een groot idee voor het maken van nanodevices.
Zhao’s Biophotonics Lab ontwikkelt nieuwe technieken om biologische en pathologische processen in cellen en weefsels te bestuderen. Via een proces dat uitbreidingsmicroscopie wordt genoemd, werkt het lab aan geavanceerde technieken om microscopische monsters ingebed in een hydrogel proportioneel te vergroten, waardoor onderzoekers fijne details kunnen bekijken zonder hun microscopen te upgraden.
In 2019 leidde een inspirerend gesprek met Shih-Chi Chen, die Carnegie Mellon bezocht als uitgenodigde spreker en professor is aan de afdeling Mechanical and Automation Engineering van de Chinese University of Hong Kong, tot een samenwerking tussen de twee onderzoekers. Ze dachten dat ze hun gecombineerde expertise konden gebruiken om nieuwe oplossingen te vinden voor de al lang bestaande uitdaging in microfabricage: het ontwikkelen van manieren om de grootte van afdrukbare nanodevices te verkleinen tot slechts 10 s nanometers of enkele atomen dik.
Hun oplossing is het tegenovergestelde van expansiemicroscopie: maak het 3D-patroon van een materiaal in hydrogel en verklein het voor resolutie op nanoschaal.
“Shih-Chi staat bekend om het uitvinden van het ultrasnelle twee-foton lithografiesysteem”, zegt Zhao, de Eberly Family Career Development Associate Professor of Biological Sciences. “We ontmoetten elkaar tijdens zijn bezoek aan Carnegie Mellon en besloten onze technieken en expertise te combineren om dit radicale idee na te streven.”
De resultaten van de samenwerking openen nieuwe deuren voor het ontwerpen van geavanceerde nanodevices en worden gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap.
Terwijl conventionele 3D-printers op nanoschaal een laserpunt scherpstellen om materialen serieel te verwerken en veel tijd nodig hebben om een ontwerp te voltooien, verandert de uitvinding van Chen de breedte van de laserpuls om lichtvellen met patronen te vormen, waardoor een volledig beeld met honderdduizenden pixels mogelijk wordt ( voxels) om in één keer te printen zonder afbreuk te doen aan de axiale resolutie.
De productietechniek wordt femtoseconde project twee-fotonenlithografie of FP-TPL genoemd. De methode is tot 1000 keer sneller dan eerdere nanoprinttechnieken en zou kunnen leiden tot kosteneffectieve nanoprinting op grote schaal voor gebruik in de biotechnologie, fotonica of nanodevices.
Voor het proces zouden onderzoekers de femtoseconde laser met twee fotonen aansturen om de netwerkstructuur en poriegrootte van de hydrogel te wijzigen, die vervolgens grenzen creëert voor in water dispergeerbare materialen. De hydrogel zou dan worden ondergedompeld in water dat nanodeeltjes van metaal, legeringen, diamant, moleculaire kristallen, polymeren of vulpeninkt bevat.
“Door een toevallige gebeurtenis werden de nanomaterialen die we probeerden allemaal automatisch aangetrokken door het gedrukte patroon in hydrogel en prachtig geassembleerd, ” zei Zhao. “Naarmate de gel krimpt en uitdroogt, worden de materialen nog dichter op elkaar gepakt en verbinden ze zich met elkaar.”
Als bijvoorbeeld een bedrukte hydrogel in een oplossing van zilveren nanodeeltjes wordt geplaatst, assembleren de zilveren nanodeeltjes zichzelf tot de gel langs het lasergedrukte patroon. Terwijl de gel uitdroogt, kan deze krimpen tot 13 keer zijn oorspronkelijke grootte, waardoor het zilver dicht genoeg wordt om een nanozilverdraad te vormen en elektriciteit te geleiden, zei Zhao.
Omdat de gels driedimensionaal zijn, kunnen geprinte patronen dat ook zijn.
Als demonstratie van het gebruik van de techniek voor gecodeerde optische opslag, zoals hoe cd’s en dvd’s worden geschreven en gelezen met een laser, ontwierp en bouwde het team een zevenlaagse 3D-nanostructuur die “WETENSCHAP” las nadat deze optisch was gedecodeerd.
Elke laag bevatte een hologram van 200 x 200 pixels van een letter. Na het verkleinen van het monster verschijnt de hele structuur als een doorzichtige rechthoek onder een optische microscoop. Men zou de juiste informatie nodig hebben over hoeveel de steekproef moet worden uitgebreid en waar een licht doorheen moet schijnen om de informatie te lezen.
“Op basis van ons resultaat kan de techniek 5 petabit aan informatie in een kleine kubieke centimeter ruimte verpakken. Dat is ongeveer 2,5 keer zoveel als alle Amerikaanse academische onderzoeksbibliotheken samen.” hij zei.
Zhao zei dat het doel van de onderzoekers in de toekomst is om functionele nanodevices te bouwen met meerdere materialen.
“Uiteindelijk willen we de nieuwe technologie gebruiken om functionele nanodevices te fabriceren, zoals nanocircuits, nanobiosensoren of zelfs nanorobots voor verschillende toepassingen”, zei Zhao. “We worden alleen beperkt door onze verbeeldingskracht.”
Meer informatie:
Fei Han et al, Driedimensionale nanofabricage met ultrasnelle laserpatronen en kinetisch gereguleerde materiaalassemblage, Wetenschap (2022). DOI: 10.1126/science.abm8420. www.science.org/doi/10.1126/science.abm8420
Tijdschrift informatie:
Wetenschap
Aangeboden door Carnegie Mellon University