Yongxin (Leon) Zhao de l’Université Carnegie Mellon et Shih-Chi Chen de l’Université chinoise de Hong Kong ont une grande idée pour fabriquer des nanodispositifs.
Le laboratoire de biophotonique de Zhao développe de nouvelles approaches 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 procedures pour agrandir proportionnellement les échantillons microscopiques intégrés dans un hydrogel, permettant aux chercheurs d’être en mesure de visualiser des détails fins sans mettre à niveau leurs microscopes.
En 2019, une discussion inspirante avec Shih-Chi Chen, qui visitait Carnegie Mellon en tant que conférencier invité et est professeur au Département de génie mécanique et d’automatisation de l’Université chinoise de Hong Kong, a déclenché une collaboration entre les deux chercheurs. Ils pensaient pouvoir utiliser leur expertise combinée pour trouver de nouvelles options au défi de longue date de la microfabrication : développer des moyens de réduire la taille des nanodispositifs imprimables à des dizaines de nanomètres ou à plusieurs atomes d’épaisseur.
Leur remedy est à l’opposé de la microscopie par enlargement : créer le motif 3D d’un matériau en hydrogel et le rétrécir pour une résolution à l’échelle nanométrique.
« Shih-Chi est connu pour avoir inventé le système de lithographie extremely-rapide à deux photons », a déclaré Zhao, professeur agrégé de sciences biologiques en développement de carrière de la famille Eberly. “Nous nous sommes rencontrés lors de sa visite à Carnegie Mellon et avons décidé de combiner nos tactics et notre knowledge pour poursuivre cette idée radicale.”
Les résultats de la collaboration ouvrent de nouvelles portes pour la conception de nanodispositifs sophistiqués et sont publiés dans la revue Science.
La strategy de fabrication est appelée lithographie à deux photons par projet femtoseconde, ou FP-TPL. La méthode est jusqu’à 1 000 fois moreover rapide que les approaches de nanoimpression précédentes et pourrait conduire à une nanoimpression à grande échelle rentable pour une utilisation dans la biotechnologie, la photonique ou les nanodispositifs.
Pour le processus, les chercheurs dirigeraient le laser femtoseconde à deux photons pour modifier la composition du réseau et la taille des pores de l’hydrogel, ce qui créerait alors des limites pour les matériaux dispersibles dans l’eau. L’hydrogel serait ensuite immergé dans de l’eau contenant des nanoparticules de métal, des alliages, du diamant, des cristaux moléculaires, des polymères ou de l’encre de stylo plume.
“Par un hasard fortuit, les nanomatériaux que nous avons essayés ont tous été automatiquement attirés par le motif imprimé en hydrogel et assemblés magnifiquement”, a déclaré Zhao. “Au fur et à mesure que le gel rétrécit et se déshydrate, les matériaux deviennent encore furthermore denses et se connectent les uns aux autres.”
Par exemple, si un hydrogel imprimé est placé dans une answer de nanoparticules d’argent, les nanoparticules d’argent s’auto-assemblent au gel le very long du motif imprimé au laser. Au fur et à mesure que le gel sèche, il peut rétrécir jusqu’à 13 fois sa taille d’origine, ce qui rend l’argent suffisamment dense pour previous un nano-fil d’argent et conduire l’électricité, a déclaré Zhao.
Parce que les gels sont tridimensionnels, les motifs imprimés peuvent l’être aussi.
Comme démonstration de l’utilisation de la approach pour le stockage optique crypté – comme la façon dont les CD et les DVD sont écrits et lus avec un laser – l’équipe a conçu et construit une nanostructure 3D à sept couches qui lit “SCIENCE” après avoir été déchiffrée optiquement.
Chaque couche contenait un hologramme de 200×200 pixels d’une lettre. Après rétrécissement de l’échantillon, la composition entière apparaît sous la forme d’un rectangle translucide au microscope optique. Il faudrait les bonnes informations sur la quantité d’expansion de l’échantillon et où éclairer la lumière pour lire les informations.
“Sur la foundation de nos résultats, la approach peut contenir 5 pétabits d’informations dans un minuscule centimètre dice d’espace. C’est environ 2,5 fois toutes les bibliothèques de recherche universitaires américaines combinées.” il a dit.
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 la nouvelle technologie pour fabriquer des nanodispositifs fonctionnels, comme des nanocircuits, des nanobiocapteurs ou même des nanorobots pour différentes purposes”, a déclaré Zhao. “Nous ne sommes limités que par notre creativeness.”
En additionally de Zhao et Chen, les co-auteurs de l’article scientifique “3D Nanofabrication through Ultrafast Laser Patterning and Kinetically-controlled Content Assembly”, incluent Fei Han, Songyun Gu, Ni Zhao, tous de l’Université chinoise de Hong Kong et Aleks Klimas, de Carnegie Mellon.