Les hydrogels rétractables élargissent les possibilités de nanofabrication
Les chercheurs impriment des motifs complexes, en 2D et en 3D, destinés à être utilisés en biotechnologie, en photonique ou dans des nanodispositifs.
Yongxin (Leon) Zhao, de l'université Carnegie Mellon, et Shih-Chi Chen, de l'université chinoise de Hong Kong, ont une grande idée pour la fabrication de nanodispositifs.
(A) Image fluorescente de deux dragons de CdSe QDs sans rétrécissement ; l'encart montre une résolution de ~200 nm. (B-F) Images SEM (en haut) et EDX (en bas) d'un singe en Ag, d'un cochon en alliage Au-Ag, d'un serpent en TiO2, d'un chien en Fe3O4 et d'un lapin en NaYREF4, respectivement. (G) Motifs de dragons conçus en (A). (H) Image par microscopie optique d'un bœuf en diamant. (I-M) Images fluorescentes d'un tigre de QDs de graphène, d'une chèvre d'Au fluorescent, d'un cheval de polystyrène, d'un coq de fluorescéine et d'une souris de protéine fluorescente, respectivement. (N-R) Modèles 3D et images fluorescentes (projection d'intensité maximale) des structures fabriquées en forme de molécule de C60, de dodécaèdre régulier, d'octaèdre régulier, de cube et de tétraèdre régulier de différents matériaux, respectivement. (S) Vue de dessus d'une structure de résonateur à anneau fendu (SRR) à cinq couches ; encart : Unité SRR ; et (T) vue trimétrique de la structure SRR ; encart : vue en tranche d'une unité SRR. (U) Image MEB de la couche supérieure d'une structure SRR après rétraction et déshydratation. (V) Modèle 3D d'une structure de pile à bois contenant 16 tiges verticales le long de l'axe z. (W, X) Images SEM en coupe transversale de la pile de bois fabriquée aux deux plans de coupe de (V), respectivement. (Angle d'inclinaison du substrat : 52°). Les barres d'échelle sont de 1 µm pour (B-F, U, W, X, et les encarts de S et T) ; et de 10 µm pour (A, H-M, N-T).
Chinese University of Hong Kong
Le laboratoire de biophotonique de Zhao développe de nouvelles techniques pour étudier les processus biologiques et pathologiques dans les cellules et les tissus. Grâce à un processus appelé microscopie d'expansion, le laboratoire s'efforce de faire progresser les techniques permettant d'agrandir proportionnellement des échantillons microscopiques incorporés dans un hydrogel, ce qui permet aux chercheurs de pouvoir visualiser des détails fins sans avoir à mettre à niveau leurs microscopes.
En 2019, une conversation inspirante avec Shih-Chi Chen, qui visitait Carnegie Mellon en tant que conférencier invité et qui est professeur au département d'ingénierie mécanique et d'automatisation de l'Université chinoise de Hong Kong, a déclenché une collaboration entre les deux chercheurs. Ils ont pensé qu'ils pourraient utiliser leur expertise combinée pour trouver de nouvelles solutions au défi de longue date de la microfabrication : trouver des moyens de réduire la taille des nanodispositifs imprimables à des dizaines de nanomètres ou à plusieurs atomes d'épaisseur.
Leur solution est à l'opposé de la microscopie à expansion : créer le motif 3D d'un matériau dans un hydrogel et le rétrécir pour obtenir une résolution à l'échelle nanométrique.
"Shih-Chi est connu pour avoir inventé le système de lithographie ultrarapide à deux photons", a déclaré M. Zhao, professeur associé de sciences biologiques chargé du développement de carrière de la famille Eberly. "Nous nous sommes rencontrés lors de sa visite à Carnegie Mellon et avons décidé de combiner nos techniques et notre expertise pour poursuivre cette idée radicale."
Les résultats de cette collaboration ouvrent de nouvelles portes pour la conception de nanodispositifs sophistiqués et sont publiés dans la revue Science.
Alors que les imprimantes 3D conventionnelles à l'échelle nanométrique concentrent un point laser pour traiter les matériaux en série et prennent beaucoup de temps pour achever une conception, l'invention de Chen modifie la largeur de l'impulsion du laser pour former des feuilles de lumière à motifs, ce qui permet d'imprimer en une seule fois une image entière contenant des centaines de milliers de pixels (voxels) sans compromettre la résolution axiale.
La technique de fabrication est appelée lithographie à deux photons par projet femtoseconde, ou FP-TPL. La méthode est jusqu'à 1 000 fois plus rapide que les techniques de nano-impression précédentes et pourrait conduire à une nano-impression rentable à grande échelle pour une utilisation en biotechnologie, en photonique ou dans les nanodispositifs.
Pour ce procédé, les chercheurs dirigent le laser femtoseconde à deux photons pour modifier la structure du réseau et la taille des pores de l'hydrogel, ce qui crée ensuite des limites pour les matériaux dispersibles dans l'eau. L'hydrogel serait ensuite immergé dans de l'eau contenant des nanoparticules de métal, d'alliage, de diamant, de cristaux moléculaires, de polymères ou d'encre de stylo-plume.
"Par un hasard fortuit, les nanomatériaux que nous avons essayés ont tous été attirés automatiquement par le motif imprimé dans l'hydrogel et se sont assemblés magnifiquement", a déclaré Zhao. "À mesure que le gel se rétracte et se déshydrate, les matériaux deviennent encore plus denses et se connectent les uns aux autres."
Par exemple, si un hydrogel imprimé est placé dans une solution de nanoparticules d'argent, les nanoparticules d'argent s'auto-assemblent au gel le long du motif imprimé au laser. En séchant, le gel peut rétrécir jusqu'à 13 fois sa taille initiale, ce qui rend l'argent suffisamment dense pour former un nanofil d'argent et conduire l'électricité, a expliqué M. Zhao.
Comme les gels sont tridimensionnels, les motifs imprimés peuvent l'être également.
Pour démontrer l'utilité de cette technique pour le stockage optique crypté - comme les CD et les DVD écrits et lus au laser - l'équipe a conçu et fabriqué une nanostructure 3D à sept couches sur laquelle on pouvait lire "SCIENCE" après décryptage optique.
Chaque couche contenait un hologramme de 200x200 pixels représentant une lettre. Après avoir rétréci l'échantillon, la structure entière apparaît comme un rectangle translucide sous un microscope optique. Pour lire les informations, il faut savoir de combien il faut agrandir l'échantillon et où il faut faire passer la lumière.
"D'après nos résultats, la technique permet de stocker 5 pétabits d'informations dans un minuscule centimètre cube d'espace. Cela représente environ 2,5 fois la capacité de toutes les bibliothèques de recherche universitaires américaines réunies", a-t-il déclaré.
M. Zhao a déclaré qu'à l'avenir, l'objectif des chercheurs est de construire des nanodispositifs fonctionnels avec plusieurs matériaux.
"En fin de compte, nous aimerions utiliser cette nouvelle technologie pour fabriquer des nanodispositifs fonctionnels, tels que des nanocircuits, des nanocapteurs ou même des nanorobots pour différentes applications", a déclaré Zhao. "Nous ne sommes limités que par notre imagination".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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