Schrumpfende Hydrogele erweitern die Möglichkeiten der Nanofabrikation
Forscher drucken komplizierte 2D- und 3D-Muster für den Einsatz in der Biotechnologie, Photonik oder bei Nanogeräten
Yongxin (Leon) Zhao von der Carnegie Mellon University und Shih-Chi Chen von der Chinese University of Hong Kong haben eine große Idee für die Herstellung von Nanobauteilen.
(A) Fluoreszenzbild von zwei Drachen aus CdSe-QDs ohne Schrumpfung; der Einschub zeigt eine Auflösung von ~200 nm. (B-F) SEM- (oben) und EDX-Bilder (unten) eines Affen aus Ag, eines Schweins aus einer Au-Ag-Legierung, einer Schlange aus TiO2, eines Hundes aus Fe3O4 bzw. eines Kaninchens aus NaYREF4. (G) Entworfene Drachenmuster in (A). (H) Lichtmikroskopische Aufnahme eines Ochsen aus Diamant. (I-M) Fluoreszenzbilder eines Tigers aus Graphen-QDs, einer Ziege aus fluoreszierendem Au, eines Pferdes aus Polystyrol, eines Hahns aus Fluorescein bzw. einer Maus aus fluoreszierendem Protein. (N-R) 3D-Modelle und Fluoreszenzbilder (Projektion mit maximaler Intensität) der hergestellten Strukturen in Form eines C60-Moleküls, eines regelmäßigen Dodekaeders, eines regelmäßigen Oktaeders, eines Würfels und eines regelmäßigen Tetraeders aus verschiedenen Materialien. (S) Draufsicht auf eine fünfschichtige geteilte Ringresonatorstruktur (SRR); Einschub: SRR-Einheit; und (T) trimetrische Ansicht der SRR-Struktur; Inset: Schnittansicht einer SRR-Einheit. (U) REM-Aufnahme der obersten Schicht einer SRR-Struktur nach Schrumpfung und Dehydrierung. (V) 3D-Modell einer Holzstapelstruktur mit 16 vertikalen Stäben entlang der z-Achse. (W, X) SEM-Querschnittsbilder des hergestellten Holzstapels an den beiden Schnittebenen in (V). (Neigungswinkel des Substrats: 52°). Skalenbalken sind 1 µm für (B-F, U, W, X und die Einschübe von S und T); und 10 µm für (A, H-M, N-T).
Chinese University of Hong Kong
Das Biophotonik-Labor von Zhao entwickelt neuartige Techniken zur Untersuchung biologischer und pathologischer Prozesse in Zellen und Geweben. Durch ein Verfahren, das als Expansionsmikroskopie bezeichnet wird, arbeitet das Labor an der Weiterentwicklung von Techniken zur proportionalen Vergrößerung von mikroskopischen Proben, die in ein Hydrogel eingebettet sind, so dass Forscher feine Details betrachten können, ohne ihre Mikroskope aufrüsten zu müssen.
Ein inspirierendes Gespräch mit Shih-Chi Chen, der als Gastredner in Carnegie Mellon weilte und Professor am Fachbereich Maschinenbau und Automatisierungstechnik der Chinese University of Hong Kong ist, führte 2019 zu einer Zusammenarbeit zwischen den beiden Forschern. Sie waren der Meinung, dass sie ihr gemeinsames Fachwissen nutzen könnten, um neuartige Lösungen für die seit langem bestehende Herausforderung in der Mikrofabrikation zu finden: die Entwicklung von Möglichkeiten zur Verkleinerung von druckbaren Nanobauteilen auf bis zu 10 Nanometer oder einige Atome Dicke.
Ihre Lösung ist das Gegenteil der Expansionsmikroskopie: Sie erstellen das 3D-Muster eines Materials in Hydrogel und schrumpfen es für eine Auflösung im Nanobereich.
"Shih-Chi ist bekannt für die Erfindung des ultraschnellen Zwei-Photonen-Lithographie-Systems", sagte Zhao, der Eberly Family Career Development Associate Professor für Biologische Wissenschaften. "Wir haben uns während seines Besuchs in Carnegie Mellon kennengelernt und beschlossen, unsere Techniken und Fachkenntnisse zu kombinieren, um diese radikale Idee zu verfolgen."
Die Ergebnisse der Zusammenarbeit, die in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurden, eröffnen neue Möglichkeiten für die Entwicklung anspruchsvoller Nanogeräte.
Während herkömmliche 3D-Drucker im Nanomaßstab einen Laserpunkt fokussieren, um Materialien seriell zu verarbeiten, und viel Zeit für die Fertigstellung eines Entwurfs benötigen, ändert Chens Erfindung die Breite des Laserpulses, um gemusterte Lichtbögen zu bilden, so dass ein ganzes Bild mit Hunderttausenden von Pixeln (Voxeln) auf einmal gedruckt werden kann, ohne die axiale Auflösung zu beeinträchtigen.
Das Herstellungsverfahren wird als Femtosekundenprojekt-Zweiphotonenlithographie oder FP-TPL bezeichnet. Das Verfahren ist bis zu 1.000 Mal schneller als bisherige Nanodrucktechniken und könnte zu einem kostengünstigen Nanodruck in großem Maßstab für den Einsatz in der Biotechnologie, Photonik oder bei Nanogeräten führen.
Bei dem Verfahren würden die Forscher den Femtosekunden-Zweiphotonenlaser so einsetzen, dass er die Netzwerkstruktur und die Porengröße des Hydrogels verändert, wodurch Grenzen für wasserdispergierbare Materialien entstehen. Das Hydrogel wird dann in Wasser getaucht, das Nanopartikel aus Metallen, Legierungen, Diamanten, molekularen Kristallen, Polymeren oder Füllhaltertinte enthält.
"Zufälligerweise wurden alle Nanomaterialien, die wir ausprobierten, automatisch von dem aufgedruckten Muster im Hydrogel angezogen und ließen sich wunderbar zusammenfügen", so Zhao. "Wenn das Gel schrumpft und dehydriert, werden die Materialien noch dichter gepackt und verbinden sich miteinander".
Wird beispielsweise ein gedrucktes Hydrogel in eine Silbernanopartikellösung gegeben, lagern sich die Silbernanopartikel entlang des mit dem Laser gedruckten Musters selbständig an das Gel an. Wenn das Gel trocknet, kann es auf das bis zu 13-fache seiner ursprünglichen Größe schrumpfen, wodurch das Silber dicht genug wird, um einen Nanosilberdraht zu bilden und Strom zu leiten, so Zhao.
Da die Gele dreidimensional sind, können auch die gedruckten Muster dreidimensional sein.
Um zu demonstrieren, dass die Technik für verschlüsselte optische Speicher verwendet werden kann - so wie CDs und DVDs mit einem Laser beschrieben und gelesen werden - hat das Team eine siebenschichtige 3D-Nanostruktur entworfen und gebaut, auf der nach der optischen Entschlüsselung "SCIENCE" stand.
Jede Schicht enthielt ein 200x200 Pixel großes Hologramm eines Buchstabens. Nach dem Schrumpfen der Probe erscheint die gesamte Struktur unter einem Lichtmikroskop als durchscheinendes Rechteck. Man bräuchte die richtigen Informationen darüber, wie stark man die Probe ausdehnen muss und wo das Licht durchscheinen muss, um die Informationen zu lesen.
"Nach unserem Ergebnis kann die Technik 5 Petabits an Informationen in einen winzigen Kubikzentimeter Raum packen. Das ist etwa das 2,5-fache aller akademischen Forschungsbibliotheken in den USA zusammen", sagte er.
Zhao sagte, das Ziel der Forscher sei es, in Zukunft funktionale Nanogeräte aus mehreren Materialien zu bauen.
"Letztendlich möchten wir die neue Technologie nutzen, um funktionale Nanogeräte wie Nanokreise, Nanobiosensoren oder sogar Nanoroboter für verschiedene Anwendungen herzustellen", so Zhao. "Wir sind nur durch unsere Vorstellungskraft begrenzt."
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