Op licht gebaseerde microcapillaire monitoring stimuleert innovatie in productie en biotechnologie

Onderzoekers hebben een baanbrekende technologie ontwikkeld die licht gebruikt om glazen microcapillaire tips op nanoschaal te visualiseren, waardoor nauwkeurig en delicaat contact met andere objecten mogelijk wordt.

Een “microcapillair” is een precisiegereedschap met een zeer kleine opening (0,1 mm tot 0,000010 mm in diameter) vervaardigd uit een glazen buis. Het wordt gebruikt als een essentieel hulpmiddel op verschillende gebieden, van biotechnologie tot het manipuleren van cellen, tot micro-galvanisatie en nano-3D-printen.

Concreet wordt het in de biotechnologie gebruikt voor taken zoals het injecteren van sperma in een eicel tijdens in-vitrofertilisatie (IVF) of als hulpmiddel voor het penetreren van celmembranen om cellulaire mechanismen te bestuderen. Bij galvaniseren is het mogelijk om binnen extreem kleine oppervlakken metaal te plateren, wat handig is voor de vervaardiging van nauwkeurige elektronische schakelingen of microstructuren. Het kan ook worden gebruikt als 3D-printmondstuk om ultrafijne structuren in drie dimensies te printen.

Een primaire zorg bij het gebruik van microcapillairen is het verzekeren van delicaat en nauwkeurig contact met de scherpe punt, zodat de glazen microcapillairen niet breken of het doelobject niet wordt beschadigd. In het verleden werd contact bepaald door te observeren met een optische microscoop, maar voor ultrafijne microcapillairen op nanoschaal kon contact niet worden bepaald vanwege de diffractie-beperkte resolutie.

Hoewel andere methoden, zoals het monitoren van elektrische stroom of mechanische trillingen, zijn toegepast, wordt hun veelzijdigheid beperkt door materiaalspecificiteit (beperkt tot geleidende materialen) of door interferentie die mogelijk de resultaten kan beïnvloeden.

De nieuwe methode, ontwikkeld door het team van Dr. Jaeyeon Pyo, maakt gebruik van licht. Wanneer licht in een glazen microcapillaire buis wordt geprojecteerd, plant het licht zich door de buis naar het scherpe uiteinde. Wanneer de punt een voorwerp niet raakt, wordt een helder verstrooiend licht waargenomen, en zodra de punt een voorwerp raakt, verdwijnt dit onmiddellijk. Deze eenvoudige methode, waarbij slechts één lichtbron nodig is om de resolutielimieten van optische microscopen voor contactdetectie te overschrijden, is een opmerkelijke prestatie die niet kan worden bereikt zonder een uitgebreid begrip van de licht-materie-interacties op nanoschaal.

Het onderzoeksteam ontdekte door middel van verschillende experimenten en simulaties dat licht, dat werd uitgezonden in de vorm van een verdwijnende golf, bij contact niet aan de punt wordt verstrooid, maar eerder wordt doorgegeven aan het object waarmee het in contact komt. Om de toepasbaarheid van deze technologie te valideren, demonstreerden ze de precieze contactdetectiemogelijkheden van de microglazen buis op verschillende gebieden, waaronder nano-3D-printprocessen, micro-koper-galvanisatieprocessen en verstoppingsoplossingen, en de invasie van celwanden in orale epitheelcellen. , wat de nauwkeurige en onmiddellijke detectieprestaties bevestigt.

Door middel van verschillende experimenten en simulaties ontdekte het onderzoeksteam dat het licht, dat zich voortplant in de vorm van een verdwijnende golf, wordt overgebracht naar het object dat in contact is gekomen in plaats van dat het aan de punt wordt verstrooid.

Om de toepasbaarheid van deze technologie te valideren, demonstreerde het team het delicate contact van microcapillairen op verschillende gebieden, zoals het 3D-printproces op nanoschaal, het micro-galvanisatieproces van koper, het oplossen van de verstopping van spuitmondjes en de invasie van membranen van orale epitheelcellen. , wat de nauwkeurige en onmiddellijke detectieprestaties bevestigt.

Het onderzoek was gepubliceerd als omslagartikel in ACS Nano.

Dr. Jaeyeon Pyo legde de achtergrond van het onderzoek uit en zei: “Omdat het eerder ontwikkelde 3D-printproces op nanoschaal, gebaseerd op optische microscopische observatie, met fysieke beperkingen te maken kreeg, was er een geheel nieuwe aanpak nodig om de resolutie, stabiliteit en opbrengst te verbeteren.

“Met inzicht in de optische fysica op nanoschaal kwamen we op een baanbrekend idee om het 3D-printmondstuk te gebruiken als een hulpmiddel om het contact ervan te monitoren, wat tot succesvolle resultaten leidde.”

Nu de patentaanvraag voor de oorspronkelijke technologie is afgerond, verwacht KERI dat deze doorbraak aanzienlijke belangstelling zal wekken van verschillende onderzoeksinstituten en industrieën die precisieprocessen op nanoschaal vereisen, zoals 3D-printen, displays, biotechnologie, galvaniseren en micro-elektronica.

De eenvoud van de technologie, die kan worden geïmplementeerd door slechts één enkele lichtbron te gebruiken zonder materiaal- of omgevingsbeperkingen, suggereert een breed scala aan potentiële toepassingen. Het team van Dr. Jaeyeon Pyo is van plan de toepasbaarheid ervan op meer gebieden verder aan te tonen en te valideren, actief bedrijven te ontdekken waar veel vraag naar is, en technologieoverdracht na te streven.