Os pesquisadores do MIT inventaram uma maneira de fabricar objetos 3-D em nanoescala de quase qualquer formato. Eles também podem padronizar os objetos com uma variedade de materiais úteis, incluindo metais, pontos quânticos, e DNA.

"É uma maneira de colocar quase qualquer tipo de material em um padrão 3-D com precisão em nanoescala, "diz Edward Boyden, professor associado de engenharia biológica e de ciências do cérebro e cognitivas no MIT.

Usando a nova técnica, os pesquisadores podem criar qualquer forma e estrutura que quiserem, padronizando um andaime de polímero com um laser. Depois de anexar outros materiais úteis ao andaime, eles encolhem, gerando estruturas um milésimo do volume do original.

Essas estruturas minúsculas podem ter aplicações em muitos campos, da ótica à medicina à robótica, dizem os pesquisadores. A técnica usa equipamentos que muitos laboratórios de biologia e ciência dos materiais já possuem, tornando-o amplamente acessível para pesquisadores que desejam experimentá-lo.

Boyden, que também é membro do Media Lab do MIT, Instituto McGovern para Pesquisa do Cérebro, e Koch Institute for Integrative Cancer Research, é um dos autores seniores do artigo, que aparece na edição de 13 de dezembro da Ciência . O outro autor sênior é Adam Marblestone, um afiliado de pesquisa do Media Lab, e os principais autores do artigo são os alunos de graduação Daniel Oran e Samuel Rodriques.

Fabricação de implosão

As técnicas existentes para a criação de nanoestruturas são limitadas no que podem realizar. Padrões de corrosão em uma superfície com luz podem produzir nanoestruturas 2-D, mas não funcionam para estruturas 3-D. É possível fazer nanoestruturas 3-D adicionando gradualmente camadas umas sobre as outras, mas esse processo é lento e desafiador. E, embora existam métodos que podem imprimir objetos em nanoescala diretamente em 3-D, eles são restritos a materiais especializados, como polímeros e plásticos, que não possuem as propriedades funcionais necessárias para muitos aplicativos. Além disso, eles só podem gerar estruturas autossustentáveis. (A técnica pode produzir uma pirâmide sólida, por exemplo, mas não uma corrente ligada ou uma esfera oca.)

Para superar essas limitações, Boyden e seus alunos decidiram adaptar uma técnica que seu laboratório desenvolveu há alguns anos para imagens de alta resolução do tecido cerebral. Esta técnica, conhecido como microscopia de expansão, envolve a incorporação de tecido em um hidrogel e, em seguida, expandi-lo, permitindo imagens de alta resolução com um microscópio normal. Centenas de grupos de pesquisa em biologia e medicina estão agora usando microscopia de expansão, uma vez que permite a visualização 3D de células e tecidos com hardware comum.

Ao reverter esse processo, os pesquisadores descobriram que poderiam criar objetos de grande escala incorporados em hidrogéis expandidos e, em seguida, reduzi-los à nanoescala, uma abordagem que eles chamam de "fabricação de implosão".

Como fizeram com a microscopia de expansão, os pesquisadores usaram um material muito absorvente feito de poliacrilato, comumente encontrado em fraldas, como andaime para seu processo de nanofabricação. O andaime é banhado em uma solução que contém moléculas de fluoresceína, que se prendem ao andaime quando são ativados por luz laser.

Usando microscopia de dois fótons, que permite a segmentação precisa de pontos nas profundezas de uma estrutura, os pesquisadores anexam moléculas de fluoresceína a locais específicos dentro do gel. As moléculas de fluoresceína atuam como âncoras que podem se ligar a outros tipos de moléculas que os pesquisadores acrescentam.

"Você fixa as âncoras onde quiser com luz, e mais tarde você pode anexar o que quiser às âncoras, "Boyden diz." Pode ser um ponto quântico, pode ser um pedaço de DNA, pode ser uma nanopartícula de ouro. "

"É um pouco como a fotografia de filme - uma imagem latente é formada pela exposição de um material sensível em um gel à luz. Então, você pode transformar essa imagem latente em uma imagem real anexando outro material, prata, após. Desta forma, a fabricação de implosão pode criar todos os tipos de estruturas, incluindo gradientes, estruturas desconectadas, e padrões multimateriais, "Oran diz.

Uma vez que as moléculas desejadas são anexadas nos locais certos, os pesquisadores encolhem toda a estrutura adicionando um ácido. O ácido bloqueia as cargas negativas no gel de poliacrilato para que não se repelam, fazendo com que o gel se contraia. Usando esta técnica, os pesquisadores podem encolher os objetos 10 vezes em cada dimensão (para um total de 1, Redução de volume de 000 vezes). Essa capacidade de encolher não permite apenas maior resolução, mas também possibilita a montagem de materiais em um andaime de baixa densidade. Isso permite fácil acesso para modificação, e mais tarde o material se torna um sólido denso quando é encolhido.

"As pessoas vêm tentando inventar equipamentos melhores para fazer nanomateriais menores há anos, mas percebemos que se você apenas usar os sistemas existentes e incorporar seus materiais neste gel, você pode reduzi-los à nanoescala, sem distorcer os padrões, “Diz Rodriques.

Atualmente, os pesquisadores podem criar objetos com cerca de 1 milímetro cúbico, padronizado com uma resolução de 50 nanômetros. Há uma compensação entre tamanho e resolução:se os pesquisadores quiserem fazer objetos maiores, cerca de 1 centímetro cúbico, eles podem atingir uma resolução de cerca de 500 nanômetros. Contudo, essa resolução poderia ser melhorada com mais refinamento do processo, dizem os pesquisadores.

Melhor ótica

A equipe do MIT agora está explorando aplicações potenciais para esta tecnologia, e eles antecipam que algumas das primeiras aplicações podem ser em óptica, por exemplo, fazer lentes especializadas que poderiam ser usadas para estudar as propriedades fundamentais da luz. Essa técnica também pode permitir a fabricação de peças menores, melhores lentes para aplicações como câmeras de telefones celulares, microscópios, ou endoscópios, dizem os pesquisadores. Mais longe no futuro, os pesquisadores dizem que essa abordagem poderia ser usada para construir robôs ou eletrônicos em nanoescala.

"Existem todos os tipos de coisas que você pode fazer com isso, "Boyden diz." Democratizar a nanofabricação pode abrir fronteiras que ainda não podemos imaginar. "

Muitos laboratórios de pesquisa já estão estocados com os equipamentos necessários para esse tipo de fabricação. "Com um laser você já pode encontrar em muitos laboratórios de biologia, você pode escanear um padrão, em seguida, deposite metais, semicondutores, ou DNA, e, em seguida, reduza-o, "Boyden diz.