收缩的水凝胶扩大了纳米制造的选择

卡内基梅隆大学和香港中文大学的研究人员开发了一种利用各种材料创建超高分辨率、复杂3D纳米结构的策略。

卡内基梅隆大学的Yongxin(Leon)Zhao和香港中文大学的Shih-ChiChen在制造纳米设备方面有一个伟大的想法。

赵的生物光子学实验室开发新技术来研究细胞和组织中的生物和病理过程。通过称为膨胀显微镜的过程，该实验室致力于推进技术，以按比例放大嵌入水凝胶中的显微样品，使研究人员能够在不升级显微镜的情况下查看细节。

2019年，与作为受邀演讲人访问卡内基梅隆大学的陈世奇、香港中文大学机械与自动化工程系教授陈世奇的一次鼓舞人心的对话，引发了两位研究人员之间的合作。他们认为他们可以利用他们的综合专业知识为微加工领域的长期挑战找到新的解决方案：开发将可打印纳米设备的尺寸减小到小至几十纳米或几个原子厚的方法。

他们的解决方案与膨胀显微镜相反：在水凝胶中创建材料的3D图案并将其缩小以获得纳米级分辨率。

加密光存储平台视频示意图：(1)水凝胶膨胀态飞秒光片图案化(图案化后半透明);(2)酸缩实现物理加密;(3)通过扩展底物进行解密，然后沉积荧光染料(CdSe)并成像。图片来源：香港中文大学团队

“Shih-Chi以发明超快双光子光刻系统而闻名，”EberlyFamilyCareerDevelopment生物科学副教授赵说。“我们在他访问卡内基梅隆大学期间相遇，并决定结合我们的技术和专业知识来追求这个激进的想法。”

合作的结果为设计复杂的纳米设备打开了新的大门，并发表在《科学》杂志上。

传统的3D纳米级打印机聚焦激光点以连续处理材料并需要很长时间才能完成设计，而Chen的发明改变了激光脉冲的宽度以形成图案化的光片，从而使整个图像包含数十万个像素(体素)在不影响轴向分辨率的情况下立即打印。

这种制造技术被称为飞秒项目双光子光刻或FP-TPL。该方法比以前的纳米打印技术快1,000倍，并可能导致具有成本效益的大规模纳米打印用于生物技术、光子学或纳米设备。

(A)SEM图像和制造的DOE的放大视图。(B)DOE傅立叶平面的模拟强度分布;插图：编码的笑脸。(C)从(A)中制造的DOE记录的图像。第0阶在空间上被阻挡以避免相机损坏。(D)记录编码图像的光学设置示意图。(EG)光存储和加密的演示：(E)用设计信息图案化的膨胀水凝胶;(F)(E)中凝胶充分收缩脱水实现物理加密后;(G)重新膨胀的凝胶与CdSe一起沉积并开发以解密存储的模式。(H)显示(F)中两个加密的7层全息图图案的光学图像。(I)解密全息图的荧光图像，其中“科学”被解码;和(J,K)解密全息图的3D视图。信用：

在这个过程中，研究人员将引导飞秒双光子激光修改水凝胶的网络结构和孔径，然后为水分散性材料创建边界。然后将水凝胶浸入含有金属、合金、金刚石、分子晶体、聚合物或钢笔墨水的纳米颗粒的水中。

“由于偶然的机会，我们尝试的纳米材料都被自动吸引到水凝胶中的印刷图案上并组装得很漂亮，”赵说。“随着凝胶收缩和脱水，材料变得更加密集并相互连接。”

例如，如果将打印的水凝胶放入银纳米颗粒溶液中，银纳米颗粒会沿着激光打印的图案自组装到凝胶中。赵说，随着凝胶变干，它可以收缩到原来大小的13倍，使银密度足以形成纳米银线并导电。

因为凝胶是三维的，印刷图案也可以。

作为该技术在加密光存储中的应用——例如如何用激光写入和读取CD和DVD——该团队设计并构建了一个七层3D纳米结构，在光学解密后读取“SCIENCE”。

每层包含一个200x200像素的字母全息图。样品收缩后，整个结构在光学显微镜下呈现为半透明矩形。人们需要正确的信息来了解样本的扩展程度以及光照的位置以读取信息。

展示最小特征尺寸的纳米结构。(A)由平行纳米线阵列组成的非连接“NANO”结构的3D模型。(B)聚焦离子束(FIB)切割的“NANO”结构的SEM横截面图像;(C)(B)中字母“A”的放大视图;(D)放大视图(C)。(E)“NANO”结构的四个横截面图案(在(A)的xz平面中)。(F)SEM图像显示了FIB切割打开的凝胶样品的沟槽，其中标记了每个字母的位置。所有横截面图像都是在52°的基板倾斜角下拍摄的。图片来源：香港中文大学和CMU团队

“根据我们的结果，该技术可以在一个微小的立方厘米空间中打包5PB的信息。这大约是美国所有学术研究图书馆总和的2.5倍。”他说。

赵说，未来研究人员的目标是用多种材料构建功能性纳米器件。

“最后，我们希望使用新技术来制造功能性纳米设备，如纳米电路、纳米生物传感器，甚至是用于不同应用的纳米机器人，”赵说。“我们只受我们想象力的限制。”