麻省理工学院的研究人员发明了一种制造几乎任何形状的纳米级三维物体的方法。他们还可以用各种有用的材料，包括金属、量子点和DNA，为物体绘制图案。
麻省理工学院(MIT)生物工程和大脑与认知科学副教授爱德华·博伊登(Edward Boyden)说:“这是一种将几乎任何材料以纳米级精度放入三维模式的方法。”
利用这项新技术，研究人员可以用激光对聚合物支架进行图形化处理，从而创造出他们想要的任何形状和结构。在将其他有用的材料连接到支架上之后，他们将支架缩小，生成的结构体积只有原来的千分之一。
研究人员说，这些微小的结构可以在许多领域得到应用，从光学到医学再到机器人。这项技术使用了许多生物和材料科学实验室已经拥有的设备，使得想要尝试它的研究人员可以广泛使用。
Boyden同时也是麻省理工学院媒体实验室、麦戈文大脑研究所和科赫综合癌症研究所的成员。他是这篇发表在12月13日《科学》杂志上的论文的资深作者之一科学．另一位资深作者是媒体实验室下属研究机构亚当·马布尔斯通(Adam Marblestone)，论文的主要作者是研究生丹尼尔·奥兰(Daniel Oran)和塞缪尔·罗德里克斯(Samuel Rodriques)。
内爆制造
现有的制造纳米结构的技术所能达到的效果是有限的。用光在表面蚀刻图案可以产生二维纳米结构，但对三维结构不起作用。通过逐渐在彼此之上添加层来制造三维纳米结构是可能的，但这一过程缓慢且具有挑战性。而且，虽然存在直接3d打印纳米级物体的方法，但它们仅限于聚合物和塑料等特殊材料，这些材料缺乏许多应用所需的功能特性。此外，它们只能产生自我支撑的结构。(例如，该技术可以生成一个坚固的金字塔，但不能生成链或空心球体。)
为了克服这些限制，Boyden和他的学生决定采用他的实验室几年前开发的一种技术，用于脑组织的高分辨率成像。这种技术被称为膨胀显微镜，包括将组织嵌入水凝胶中，然后扩大它，允许用普通显微镜进行高分辨率成像。数百个生物学和医学研究小组现在正在使用扩展显微镜，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，他们可以在膨胀的水凝胶中制造出大规模物体，然后将它们缩小到纳米级，他们称之为“内爆制造”。
就像他们对膨胀显微镜所做的一样，研究人员使用了一种由聚丙烯酸酯制成的非常吸收性的材料，这种材料通常在尿布中发现，作为纳米制造过程的支架。支架浸泡在含有荧光素分子的溶液中，当荧光素分子被激光激活时就会附着在支架上。
利用双光子显微镜，研究人员将荧光素分子附着在凝胶中的特定位置，这种显微镜可以精确定位结构深处的点。荧光素分子起到了锚的作用，可以与研究人员补充的其他类型的分子结合。
波伊登说:“你可以在你想要的地方用光连接锚，然后你可以在锚上附加任何你想要的东西。”“它可能是一个量子点，可能是一片DNA，也可能是一个金纳米颗粒。”
“这有点像胶片摄影——通过将凝胶中的敏感材料暴露在光下，形成潜影。然后，你可以将潜像显影成真实的像，然后附上另一种材料，银。通过这种方式，内爆制造可以创造各种结构，包括梯度、不连接结构和多材料模式，”Oran说。
一旦所需的分子附着在正确的位置，研究人员就会通过添加酸来缩小整个结构。酸阻断了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。使用这项技术，研究人员可以在每个维度上将物体缩小10倍(整体体积减少1000倍)。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。这使得修改变得容易，之后当材料收缩时就会变成致密的固体。
“多年来，人们一直在尝试发明更好的设备来制造更小的纳米材料，但我们意识到，如果仅仅使用现有的系统，并将材料嵌入这种凝胶中，就可以将它们缩小到纳米级，而不会扭曲图案，”罗德里克斯说。
目前，研究人员可以创造出大约1立方毫米的物体，分辨率为50纳米。在尺寸和分辨率之间有一个权衡:如果研究人员想制造更大的物体，大约1立方厘米，他们可以达到大约500纳米的分辨率。然而，研究人员说，这种分辨率可以通过进一步改进过程来提高。
更好的光学
麻省理工学院的研究小组目前正在探索这项技术的潜在应用，他们预计最早的应用可能是在光学领域——例如，制作专门用于研究光的基本特性的透镜。研究人员说，这项技术还可以制造更小、更好的镜头，用于手机相机、显微镜或内窥镜等应用。研究人员表示，在更遥远的未来，这种方法可以用于制造纳米级电子产品或机器人。
“你可以用它做各种各样的事情，”博伊登说。“纳米制造的民主化可能会开辟我们还无法想象的前沿。”
许多研究实验室已经储备了这种制造所需的设备。“你可以在许多生物实验室中找到激光，你可以扫描一个图案，然后沉积金属、半导体或DNA，然后缩小它，”博伊登说。
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