Los hidrogeles retráctiles amplían las opciones de nanofabricación
Los investigadores imprimen complejos patrones en 2D y 3D para su uso en biotecnología, fotónica o nanodispositivos.
Yongxin (Leon) Zhao, de la Universidad Carnegie Mellon, y Shih-Chi Chen, de la Universidad China de Hong Kong, tienen una gran idea para fabricar nanodispositivos.
(A) Imagen fluorescente de dos dragones de CdSe QDs sin encoger; el recuadro muestra una resolución de ~200 nm. (B-F) Imágenes SEM (arriba) y EDX (abajo) de un mono de Ag; cerdo de aleación Au-Ag; serpiente de TiO2; perro de Fe3O4; y conejo de NaYREF4, respectivamente. (G) Patrones de dragón diseñados en (A). (H) Imagen de microscopía óptica de un buey de diamante. (I-M) Imágenes fluorescentes de un tigre de QDs de grafeno; cabra de Au fluorescente; caballo de poliestireno; gallo de fluoresceína; y ratón de proteína fluorescente, respectivamente. (N-R) Modelos 3D e imágenes fluorescentes (proyección de máxima intensidad) de las estructuras fabricadas en forma de molécula de C60, dodecaedro regular, octaedro regular, cubo y tetraedro regular de diferentes materiales, respectivamente. (S) Vista superior de una estructura de resonador de anillo dividido (SRR) de cinco capas; recuadro: Unidad SRR; y (T) vista trimétrica de la estructura SRR; recuadro: vista en corte de una unidad SRR. (U) Imagen SEM de la capa superior de una estructura SRR tras su contracción y deshidratación. (V) Modelo 3D de una estructura de pila de madera que contiene 16 varillas verticales a lo largo del eje z. (W, X) Imágenes SEM transversales de la pila de madera fabricada en los dos planos de corte de (V), respectivamente. (Ángulo de inclinación del sustrato: 52°). Las barras de escala son de 1 µm para (B-F, U, W, X, y los recuadros de S y T); y de 10 µm para (A, H-M, N-T).
Chinese University of Hong Kong
El Laboratorio de Biofotónica de Zhao desarrolla técnicas novedosas para estudiar procesos biológicos y patológicos en células y tejidos. Mediante un proceso denominado microscopía de expansión, el laboratorio trabaja para avanzar en técnicas que permitan ampliar proporcionalmente muestras microscópicas incrustadas en un hidrogel, lo que permite a los investigadores poder ver detalles finos sin necesidad de actualizar sus microscopios.
En 2019, una inspiradora conversación con Shih-Chi Chen, que visitaba Carnegie Mellon como orador invitado y es profesor en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Automatización de la Universidad China de Hong Kong, desencadenó una colaboración entre los dos investigadores. Pensaron que podían utilizar sus conocimientos combinados para encontrar soluciones novedosas al viejo reto de la microfabricación: desarrollar formas de reducir el tamaño de los nanodispositivos imprimibles hasta tamaños de tan sólo decenas de nanómetros o varios átomos de grosor.
Su solución es la opuesta a la microscopía de expansión: crear el patrón 3D de un material en hidrogel y encogerlo para obtener una resolución a nanoescala.
"Shih-Chi es conocido por inventar el sistema ultrarrápido de litografía de dos fotones", explica Zhao, profesor asociado de Ciencias Biológicas en la cátedra de Desarrollo Profesional de la Familia Eberly. "Nos conocimos durante su visita a Carnegie Mellon y decidimos combinar nuestras técnicas y conocimientos para llevar a cabo esta idea radical".
Los resultados de la colaboración abren nuevas puertas al diseño de nanodispositivos sofisticados y se publican en la revista Science.
Mientras que las impresoras 3D a nanoescala convencionales centran un punto de láser para procesar materiales en serie y tardan mucho tiempo en completar un diseño, la invención de Chen cambia la anchura del pulso del láser para formar láminas de luz con patrones, lo que permite imprimir a la vez una imagen completa con cientos de miles de píxeles (voxels) sin comprometer la resolución axial.
La técnica de fabricación se denomina litografía de dos fotones por proyecto de femtosegundo, o FP-TPL. El método es hasta 1.000 veces más rápido que las técnicas de nanoimpresión anteriores y podría conducir a una nanoimpresión rentable a gran escala para su uso en biotecnología, fotónica o nanodispositivos.
Para el proceso, los investigadores dirigirían el láser de dos fotones de femtosegundo para modificar la estructura de la red y el tamaño de los poros del hidrogel, lo que luego crearía límites para los materiales dispersables en agua. A continuación, el hidrogel se sumergiría en agua con nanopartículas de metal, aleaciones, diamante, cristales moleculares, polímeros o tinta de pluma estilográfica.
"Por casualidad, todos los nanomateriales que probamos se sintieron atraídos automáticamente por el patrón impreso en el hidrogel y se ensamblaron de maravilla", explica Zhao. "A medida que el gel se encoge y se deshidrata, los materiales se empaquetan aún más densamente y se conectan entre sí".
Por ejemplo, si se coloca un hidrogel impreso en una solución de nanopartículas de plata, éstas se autoensamblan al gel siguiendo el patrón impreso con láser. Al secarse, el gel puede encogerse hasta 13 veces su tamaño original, con lo que la plata adquiere la densidad suficiente para formar un nanoalambre de plata y conducir la electricidad, explica Zhao.
Como los geles son tridimensionales, los patrones impresos también pueden serlo.
Para demostrar el uso de esta técnica en el almacenamiento óptico encriptado -como los CD y DVD que se escriben y leen con láser-, el equipo diseñó y construyó una nanoestructura tridimensional de siete capas en la que se podía leer "SCIENCE" una vez desencriptada ópticamente.
Cada capa contenía un holograma de 200x200 píxeles de una letra. Tras encoger la muestra, toda la estructura aparece como un rectángulo translúcido bajo un microscopio óptico. Para leer la información se necesitaría la información correcta sobre cuánto expandir la muestra y por dónde hacer pasar la luz.
"Según nuestros resultados, la técnica puede contener 5 petabits de información en un centímetro cúbico de espacio. Esto equivale aproximadamente a 2,5 veces todas las bibliotecas académicas de investigación de Estados Unidos juntas", afirmó.
Zhao dijo que en el futuro el objetivo de los investigadores es construir nanodispositivos funcionales con múltiples materiales.
"Al final nos gustaría utilizar la nueva tecnología para fabricar nanodispositivos funcionales, como nanocircuitos, nanobiosensores o incluso nanorobots para diferentes aplicaciones", dijo Zhao. "Sólo estamos limitados por nuestra imaginación".
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