Inventato un nuovo metodo per ridurre gli oggetti su scala nanometrica

I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno inventato un modo per realizzare oggetti 3D su scala nanometrica. “E’ un modo per mettere quasi qualsiasi tipo di materiale in nanoscala standard 3D“, dice Edward Boyden, professore associato di ingegneria biologica e del cervello e scienze cognitive presso il MIT. Il ricercatore ha pubblicato il suo studio sulla rivista Science lo scorso dicembre.

Utilizzando la nuova tecnica, i ricercatori possono creare qualsiasi forma e struttura che desiderano, modellando un polimero con un laser. Dopo aver attaccato altri materiali utili all’impalcatura, si restringono, generando strutture un millesimo del volume della struttura originale.

Queste piccole strutture possono avere applicazioni in molti campi, dall’ottica alla medicina e alla robotica, dicono i ricercatori. La tecnica utilizza attrezzature che molti laboratori di biologia e scienza dei materiali già possiedono, rendendola ampiamente accessibile agli scienziati che vogliono provarla.

Produzione di impianti

Le tecniche esistenti per la creazione di nanostrutture sono limitate in ciò che possono ottenere. I pattern di registrazione su una superficie chiara possono produrre nanostrutture 2D, ma non funzionano con strutture tridimensionali.

È possibile creare nanostrutture tridimensionali aggiungendo gradualmente strati l’uno sopra l’altro, ma questo processo è lento e impegnativo. E mentre ci sono metodi che possono stampare gli oggetti su scala nanometrica direttamente in 3D, questi sono limitati a materiali speciali come i polimeri e materie plastiche, che non hanno le necessarie proprietà funzionali per molte applicazioni. Inoltre, essi possono solo generare strutture autosufficienti.

Per superare questi limiti, Boyden ha adattato una tecnica che il suo laboratorio ha sviluppato alcuni anni fa per immagini ad alta risoluzione del tessuto cerebrale. Questa tecnica, nota come microscopia a espansione, prevede l’incorporazione del tessuto in un idrogel e quindi lo espande, consentendo immagini ad alta risoluzione con un normale microscopio.

Centinaia di gruppi di ricerca in biologia e medicina attualmente utilizzano la microscopia di espansione in quanto consente la visualizzazione 3D di cellule e tessuti con hardware comune. Invertendo il processo, i ricercatori hanno capito che potevano creare oggetti su larga scala e poi ridurli a nanoscala, una tecnica che chiamano “fabbricazione di implosione“.

I ricercatori hanno utilizzato un materiale molto assorbente in poliacrilato, solitamente presente nei pannolini, come l’impalcatura per il processo di nanofabbricazione. L’impalcatura è immersa in una soluzione contenente molecole di fluoresceina, che si legano allo scaffold quando vengono attivate dalla luce laser.

Usando la microscopia a due fotoni, che consente la precisa segmentazione dei punti all’interno di una struttura, gli scienziati hanno collegato molecole di fluoresceina a specifiche posizioni all’interno del gel. Le molecole di fluoresceina agiscono come ancore che possono legarsi ad altri tipi di molecole che i ricercatori aggiungono.

Una volta che le molecole desiderate sono attaccate nei punti giusti, i ricercatori rimpiccioliscono l’intera struttura aggiungendo un acido. L’acido blocca le cariche negative sul gel di poliacrilato, provocando la contrazione del gel. Il restringimento non solo consente una risoluzione più elevata, ma consente anche il montaggio di materiali su uno scaffold a bassa densità.

I ricercatori ora possono creare oggetti con un millimetro cubo, con una risoluzione di 50 nanometri. C’è un compromesso tra dimensione e risoluzione: se i ricercatori vogliono realizzare oggetti più grandi con circa un centimetro cubico, possono raggiungere una risoluzione di circa 500 nanometri. Tuttavia, questa risoluzione potrebbe essere migliorata in futuro.

Applicazioni

Il team del MIT sta ora esplorando possibili applicazioni per questa tecnologia e anticipa che alcune delle prime applicazioni potrebbero essere nell’ottica, ad esempio, ovvero nella produzione di obiettivi specializzati che potrebbero essere utilizzati per studiare le proprietà fondamentali della luce.

Questa tecnica può anche consentire la produzione di obiettivi più piccoli e migliori per applicazioni quali telecamere mobili, microscopi o endoscopi. I ricercatori dicono che questo approccio potrebbe essere usato per costruire robot.