Los investigadores del MIT han inventado una forma de fabricar objetos tridimensionales a nanoescala de casi cualquier forma. También pueden modelar los objetos con una variedad de materiales útiles, incluidos los metales, puntos cuánticos, y ADN.

"Es una forma de poner casi cualquier tipo de material en un patrón 3D con precisión a nanoescala, "dice Edward Boyden, profesor asociado de ingeniería biológica y de ciencias cognitivas y cerebrales en el MIT.

Usando la nueva técnica, los investigadores pueden crear cualquier forma y estructura que deseen modelando un andamio de polímero con un láser. Después de colocar otros materiales útiles en el andamio, lo encogen, generando estructuras una milésima parte del volumen del original.

Estas diminutas estructuras podrían tener aplicaciones en muchos campos, de la óptica a la medicina y la robótica, dicen los investigadores. La técnica utiliza equipos que ya tienen muchos laboratorios de biología y ciencia de los materiales, haciéndolo ampliamente accesible para los investigadores que quieran probarlo.

Boyden, quien también es miembro del Media Lab del MIT, Instituto McGovern de Investigación del Cerebro, y el Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer, es uno de los autores principales del artículo, que aparece en la edición del 13 de diciembre de Ciencias . El otro autor principal es Adam Marblestone, un afiliado de investigación de Media Lab, y los autores principales del artículo son los estudiantes graduados Daniel Oran y Samuel Rodriques.

Fabricación de implosión

Las técnicas existentes para crear nanoestructuras están limitadas en lo que pueden lograr. Grabar patrones en una superficie con luz puede producir nanoestructuras 2-D, pero no funciona para estructuras 3-D. Es posible hacer nanoestructuras 3-D agregando gradualmente capas una encima de la otra, pero este proceso es lento y desafiante. Y, si bien existen métodos que pueden imprimir directamente en 3D objetos a nanoescala, están restringidos a materiales especializados como polímeros y plásticos, que carecen de las propiedades funcionales necesarias para muchas aplicaciones. Es más, solo pueden generar estructuras autoportantes. (La técnica puede producir una pirámide sólida, por ejemplo, pero no una cadena eslabonada o una esfera hueca.)

Para superar estas limitaciones, Boyden y sus estudiantes decidieron adaptar una técnica que su laboratorio desarrolló hace unos años para obtener imágenes de alta resolución del tejido cerebral. Esta tecnica, conocido como microscopía de expansión, implica incrustar tejido en un hidrogel y luego expandirlo, lo que permite obtener imágenes de alta resolución con un microscopio normal. Cientos de grupos de investigación en biología y medicina utilizan ahora microscopía de expansión, ya que permite la visualización en 3-D de células y tejidos con hardware ordinario.

Al invertir este proceso, los investigadores encontraron que podían crear objetos a gran escala incrustados en hidrogeles expandidos y luego encogerlos a la nanoescala, un enfoque que ellos llaman "fabricación por implosión".

Como hicieron con la microscopía de expansión, los investigadores utilizaron un material muy absorbente de poliacrilato, comúnmente encontrado en pañales, como andamio para su proceso de nanofabricación. El andamio se baña en una solución que contiene moléculas de fluoresceína, que se adhieren al andamio cuando son activados por luz láser.

Usando microscopía de dos fotones, que permite apuntar con precisión a puntos profundos dentro de una estructura, los investigadores unen moléculas de fluoresceína a ubicaciones específicas dentro del gel. Las moléculas de fluoresceína actúan como anclajes que pueden unirse a otros tipos de moléculas que agregan los investigadores.

"Colocas las anclas donde quieras con luz, y luego puedes adjuntar lo que quieras a los anclajes, "Dice Boyden." Podría ser un punto cuántico, podría ser un fragmento de ADN, podría ser una nanopartícula de oro ".

"Es un poco como la fotografía de una película:una imagen latente se forma al exponer un material sensible en un gel a la luz. Luego, puede desarrollar esa imagen latente en una imagen real adjuntando otro material, plata, después. De esta manera, la fabricación por implosión puede crear todo tipo de estructuras, incluyendo gradientes, estructuras desconectadas, y patrones multimaterial, "Dice Orán.

Una vez que las moléculas deseadas están unidas en los lugares correctos, los investigadores encogen toda la estructura agregando un ácido. El ácido bloquea las cargas negativas en el gel de poliacrilato para que ya no se repelan entre sí, haciendo que el gel se contraiga. Usando esta técnica, los investigadores pueden reducir los objetos diez veces en cada dimensión (para un total de 1, Reducción de volumen de 000 veces). Esta capacidad de encoger no solo permite una mayor resolución, pero también permite ensamblar materiales en un andamio de baja densidad. Esto permite un fácil acceso para modificaciones, y luego el material se convierte en un sólido denso cuando se encoge.

"La gente ha intentado inventar mejores equipos para fabricar nanomateriales más pequeños durante años, pero nos dimos cuenta de que si solo usa los sistemas existentes e incrusta sus materiales en este gel, puedes reducirlos a la nanoescala, sin distorsionar los patrones, "Dice Rodriques.

En la actualidad, los investigadores pueden crear objetos de alrededor de 1 milímetro cúbico, modelado con una resolución de 50 nanómetros. Existe una compensación entre tamaño y resolución:si los investigadores quieren hacer objetos más grandes, alrededor de 1 centímetro cúbico, pueden alcanzar una resolución de unos 500 nanómetros. Sin embargo, que la resolución podría mejorarse con un mayor perfeccionamiento del proceso, dicen los investigadores.

Mejores ópticas

El equipo del MIT ahora está explorando posibles aplicaciones para esta tecnología, y anticipan que algunas de las primeras aplicaciones podrían ser en óptica, por ejemplo, fabricar lentes especializados que podrían usarse para estudiar las propiedades fundamentales de la luz. Esta técnica también podría permitir la fabricación de mejores lentes para aplicaciones como cámaras de teléfonos móviles, microscopios, o endoscopios, dicen los investigadores. Más lejos en el futuro los investigadores dicen que este enfoque podría usarse para construir robots o dispositivos electrónicos a nanoescala.

"Hay todo tipo de cosas que puedes hacer con esto, "Dice Boyden." Democratizar la nanofabricación podría abrir fronteras que aún no podemos imaginar ".

Muchos laboratorios de investigación ya cuentan con el equipo necesario para este tipo de fabricación. "Con un láser que ya se puede encontrar en muchos laboratorios de biología, puedes escanear un patrón, luego depositar metales, semiconductores, o ADN, y luego encogerlo, "Dice Boyden.