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“蚁人”不再是科幻!MIT最新研究,能把任何材料物体缩小1000倍 | Science

2018-12-15
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李杉 发自 凹非寺 
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

科学加速,科幻成真也在加速。

漫威世界中,蚁人是蚂蚁大小的超级英雄,靠一件“变身服”,人类就能在更微观的世界里大干一场。

现在,类似的科幻想象,被MIT变成现实。

小小小,千分之一

但MIT的新研究,并不是靠一件神奇皮衣。

而是更科学的方法,先造一个相对大的,然后再等比例缩小,直至纳米级精度,最后通过3D打印带到世间。

在刚刚披露的研究结果中,MIT科学家们将此技术称为内爆制造(implosion fabrication)。当前,可以实现原始体积千分之一地缩小。

不限材料,不限形状,人类终于可以创造任何纳米级精度的3D物体。

比如说这个结构:

而且,这种方法还适用于多种材料,比如金属、量子点、DNA全都可以。

要知道,以前要用3D打印分层制造纳米级结构,仅限于平面结构或者金字塔之类的简单几何形状,上图这样的形状,复杂度显然进入了另一个层次。

“通过这种方法,几乎可以将任何材料变成纳米级的3D形状”,麻省理工大学神经技术教授、生物工程与大脑和认知科学副教授Edward Boyden说。

Edward Boyden

利用这项新技术,人类就可以使用激光塑造任意形状和结构的聚合物支架。把其他有用的材料附着到支架上之后,再将其收缩,由此产生的结构仅为原始体积的千分之一。

应用前景也极具想象力。

MIT科学家说,这种微小结构,可以应用于光学医学机器人等领域。

而且更令人兴奋的是,该技术使用的设备已经存在于许多生物学和材料学实验室。所以很多科学家都可以进行尝试。

实验设备

这真真推开了一个新世界大门啊。

你可以想象,假如我们能够打造一个“脑虫”大小的机器人,再加以AI等软件能力,大脑世界和诸多脑疾病,可能就会被向前推进一大步。

或许不用等到下一个世纪,我们人类就能在探索星辰大海的同时,也可以把原子量子世界看得清楚。

还值得注意的是,这项研究的参与者中,就有脑科学和癌症研究的科学家。

我们刚提到的Edward Boyden,除了作为该研究论文资深作者,还有几个身份:MIT媒体实验室、麦戈文脑研究所和科赫综合癌症研究所成员。

这项新研究的论文,也已经发表在12月13日出版的《科学》杂志上。

Boyden教授之外,另一位资深作者是MIT媒体实验室研究员Adam Marblestone。

而该论文的第一作者,则是研究生Samuel Rodriques和Daniel Oran.

Samuel Rodriques和Daniel Oran

嗯,大牛带小牛,江山代有才人出。

内爆制造

那这项技术背后究竟是什么样的原理?

不妨看看MIT的庖丁解牛:

按理说,打造一个很小的物体,最直接的方法是直接造。但目前用于创建纳米结构的技术面临很多局限。

用光在表面上蚀刻图案可以产生2D纳米结构,但不适用于3D结构。可以通过逐层添加来制造3D纳米结构,但是这个过程太过缓慢,而且颇具挑战性。

不仅如此,虽然现存的方法可直接进行纳米级物体的3D打印,但仅限于聚合物和塑料等专用材料,因而缺乏很多具体应用所需的功能特性。

此外,这也只能制作自支撑结构。例如,该技术可以制作实心金字塔,但不能制作链条或空心球之类的。

实验设备

为了突破这些限制,Boyden和他的学生决定采用他的实验室几年前开发的脑组织高分辨率成像技术。

这种被称为扩增显微镜的技术需要将组织嵌入水凝胶中然后使其膨胀,这样就能使用常规显微镜进行高分辨率成像。

生物学和医学领域的数百个研究小组现在都在使用扩增显微镜,因为它可以用普通硬件实现细胞和组织的三维可视化。

通过逆转这一过程,研究人员发现他们可以制作大尺寸的物体,将其嵌入膨胀的水凝胶中,然后再缩小到纳米级别,这种方法称为“内爆制造”。

与他们在扩增显微镜领域采取的措施相似,研究者使用了一种吸水性很强的材料用作纳米加工过程的支架——这种材料是由尿不湿中常见的聚丙烯酸酯制成的。

将支架浸泡在含有荧光素分子的溶液中,被激光激活后,荧光素分子就会附着在支架上。

双光子显微镜可以精确定位结构深处的点,研究人员借助这种设备将荧光素分子附着到凝胶内的特定位置。

荧光素分子相当于锚,可以与研究人员添加的其他类型的分子固定在一起。

“你可以用光线将锚固件到你想要的位置,之后便可将任何东西固定到锚上”,Boyden说。

“它可能是一个量子点,可能是一个DNA片段,它可能是一个金纳米粒子。”

这有点像胶片摄影——通过将凝胶中的敏感材料暴露在光线下形成潜像。

然后可以通过附加另一种材料,也就是银,便可将潜像制作成真实影像。

通过这种方式,内爆制造可以创造各种结构,包括渐变形态、无连接结构和多材料图案。

一旦所需分子附着到正确的位置,研究人员就会通过添加酸来收缩整个结构。

酸阻断聚丙烯酸酯凝胶中的负电荷,使它们不再相互排斥,导致凝胶收缩。

使用这种技术,研究人员可以将物体的每个维度缩小10倍——整体体积就缩小到了原先的1/1000。

这种收缩能力不仅可以提高分辨率,还可以在低密度支架中组装材料。这样可以轻松进行修改。

之后,材料在收缩时,就会变成致密的固体。

“人们多年来一直在努力发明更好的设备来制造更小的纳米材料,而我们意识到,如果你只是使用现有的系统并将你的材料嵌入这种凝胶中,便可将它们缩小到纳米级,但却不会扭曲图案”,研究者Rodriques介绍。

目前,研究人员可以创建体积大约为1立方毫米的物体,图案分辨率为50纳米。

尺寸大小和分辨率之间,相互影响。如果研究人员想要制作大约1立方厘米的较大物体,便可达到约500纳米的分辨率。

不过他们也表示,分辨率还可以进一步在过程中被改进。

打开新世界

麻省理工学院的团队现在正在探索这项技术的潜在应用,他们预计一些最早的应用可能来自光学领域——例如,可以制作用于研究光的基本属性的专用镜头。

研究人员表示,这项技术还可以为手机摄像头、显微镜或内窥镜等应用制造更小、更好的镜头。

他们也认为,这种方法在更远的未来还可用于构建纳米级电子设备或机器人。

“你可以做各种各样的事情”,Boyden说。

“纳米制造技术普及之后,就有可能开辟我们尚未想象的前沿领域。”

许多研究实验室已经拥有这种制造方法所需的设备。

Boyden教授还解释,现在就可以在许多生物实验室找到激光设备,能扫描图案,然后沉积金属、半导体或DNA,再将其收缩。

有意思的是,他们还用这种技术制造了一幅超小型的爱丽丝漫游仙境版画。方法依然是先制造、再缩小:

对于这项新技术,《科学》杂志也给出了评价,他们认为,虽然现在通过增材制造技术可以装配各种材料,但这通常涉及组装一系列堆叠层,也就限制了3D几何形状。

MIT的新方法能在凝胶支架内打印各种材料,金属、半导体都包含在内。水凝胶脱水之后,它们就会缩小10倍,将特征尺寸推向了纳米级。

即便离“变大变小”的原子战衣幻想还非常遥远,但人类又在微观科学世界中,迈出了一大步。

如果这项技术你也能用,你又会造个什么“小”物体呢?

原报道素材:

http://news.mit.edu/2018/shrink-any-object-nanoscale-1213?from=groupmessage&isappinstalled=0

https://www.newscientist.com/article/2188114-incredible-shrinking-3d-printer-can-make-really-tiny-objects/

http://science.sciencemag.org/content/362/6420/1281.editor-summary

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