Yongxin (Leon) Zhao z Carnegie Mellon University i Shih-Chi Chen z chińskiego University of Hong Kong mają świetny pomysł na produkcję nanourządzeń.
Laboratorium Biofotoniki Zhao opracowuje nowe techniki badania procesów biologicznych i patologicznych w komórkach i tkankach. Dzięki procesowi zwanemu mikroskopią ekspansyjną laboratorium pracuje nad rozwojem technik proporcjonalnego powiększania mikroskopijnych próbek osadzonych w hydrożelu, umożliwiając naukowcom oglądanie drobnych szczegółów bez modernizacji ich mikroskopów.
W 2019 roku inspirująca rozmowa z Shih-Chi Chen, który odwiedził Carnegie Mellon jako zaproszony mówca i jest profesorem na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Automatyki Uniwersytetu Chińskiego w Hongkongu, zapoczątkowała współpracę między dwoma naukowcami. Pomyśleli, że mogą wykorzystać swoją połączoną wiedzę, aby znaleźć nowatorskie rozwiązania dla długotrwałego wyzwania w mikroprodukcji: opracować sposoby zmniejszenia rozmiaru nanourządzeń, które można drukować, do zaledwie 10 nanometrów lub kilku atomów grubości.
Ich rozwiązanie jest przeciwieństwem mikroskopii ekspansyjnej: tworzy wzór 3D materiału w hydrożelu i zmniejsza go do rozdzielczości nanoskali.
„Shih-Chi jest znany z wynalezienia ultraszybkiego systemu litografii dwufotonowej” — powiedział Zhao, profesor nauk biologicznych zajmujący się rozwojem kariery rodziny Eberly. „Spotkaliśmy się podczas jego wizyty w Carnegie Mellon i postanowiliśmy połączyć nasze techniki i wiedzę, aby zrealizować ten radykalny pomysł”.
Wyniki współpracy otwierają nowe drzwi do projektowania zaawansowanych nanourządzeń i zostały opublikowane w czasopiśmie Science.
Podczas gdy konwencjonalne drukarki 3D w nanoskali skupiają punkt lasera w celu seryjnego przetwarzania materiałów i ukończenie projektu zajmuje dużo czasu, wynalazek Chen zmienia szerokość impulsu lasera, tworząc wzorzyste arkusze światła, co pozwala na uzyskanie całego obrazu zawierającego setki tysięcy pikseli ( wokseli) do natychmiastowego wydrukowania bez uszczerbku dla rozdzielczości osiowej.
Technika wytwarzania nazywana jest litografią dwufotonową projektu femtosekundowego lub FP-TPL. Metoda jest do 1000 razy szybsza niż poprzednie techniki nanodruku i może prowadzić do ekonomicznego nanodruku na dużą skalę do zastosowania w biotechnologii, fotonice lub nanourządzeniach.
W tym procesie naukowcy skierowaliby dwufotonowy laser femtosekundowy, aby zmodyfikować strukturę sieci i rozmiar porów hydrożelu, co następnie tworzy granice dla materiałów dyspergowalnych w wodzie. Hydrożel byłby następnie zanurzany w wodzie zawierającej nanocząsteczki metalu, stopów, diamentu, kryształów molekularnych, polimerów lub atramentu do piór wiecznych.
„Dzięki przypadkowemu zbiegowi okoliczności wszystkie nanomateriały, które wypróbowaliśmy, zostały automatycznie przyciągnięte do wydrukowanego wzoru w hydrożelu i pięknie złożone” – powiedział Zhao. „Gdy żel kurczy się i odwadnia, materiały stają się jeszcze bardziej upakowane i łączą się ze sobą”.
Na przykład, jeśli wydrukowany hydrożel zostanie umieszczony w roztworze nanocząstek srebra, nanocząsteczki srebra samoorganizują się w żel wzdłuż wydrukowanego laserowo wzoru. Gdy żel wysycha, może skurczyć się nawet 13-krotnie w stosunku do pierwotnego rozmiaru, dzięki czemu srebro jest wystarczająco gęste, aby utworzyć nanosrebrny drut i przewodzić prąd, powiedział Zhao.
Ponieważ żele są trójwymiarowe, wydrukowane wzory również mogą być trójwymiarowe.
Jako demonstrację wykorzystania tej techniki do zaszyfrowanego przechowywania optycznego – na przykład sposobu zapisywania i odczytywania dysków CD i DVD za pomocą lasera – zespół zaprojektował i zbudował siedmiowarstwową nanostrukturę 3D, która po optycznym odszyfrowaniu ma napis „NAUKA”.
Każda warstwa zawierała hologram litery o wymiarach 200 x 200 pikseli. Po obkurczeniu próbki cała struktura wygląda pod mikroskopem optycznym jako półprzezroczysty prostokąt. Potrzebne byłyby odpowiednie informacje o tym, jak bardzo rozszerzyć próbkę i gdzie przeświecić światło, aby odczytać informacje.
„Opierając się na naszych wynikach, technika ta może upakować informacje o wartości 5 petabitów w małym centymetrze sześciennym. To około 2,5 razy więcej niż wszystkie biblioteki akademickie w USA razem wzięte”. powiedział.
Zhao powiedział, że w przyszłości celem naukowców jest zbudowanie funkcjonalnych nanourządzeń z wielu materiałów.
„Ostatecznie chcielibyśmy wykorzystać nową technologię do wytwarzania funkcjonalnych nanourządzeń, takich jak nanoobwody, nanobioczujniki, a nawet nanoroboty do różnych zastosowań” – powiedział Zhao. „Ogranicza nas tylko wyobraźnia”.
Oprócz Zhao i Chen, współautorami artykułu naukowego „3D Nanofabrykacja poprzez ultraszybkie wzornictwo laserowe i montaż materiałów regulowanych kinetycznie” są Fei Han, Songyun Gu, Ni Zhao, wszyscy z Chińskiego Uniwersytetu w Hongkongu i Aleks Klimas z Carnegie Mellon.