为什么纳米能使物体变得有韧性（科学家发明了新的方法）

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麻省理工学院（MIT）的研究人员发明了一种方法，几乎可以制造任何形状的纳米级三维物体。

通过这项新技术，研究人员可以用激光在聚合物支架上形成图案，从而创造出他们想要的任何形状和结构。在将其他的有用材料连接到支架上之后，再将支架收缩，产生只有原来体积千分之一的结构。

MIT生物工程和大脑与认知科学副教授Edward Boyden说：“ 这种方法可以将几乎任何材料以纳米级精度制作成三维模式。”

○ 用激光在更大的结构上形成图案，然后将其缩小，从而制造出三维纳米尺度的物体。这张图片显示了一个收缩之前的复杂结构。| 图片来源：Daniel Oran

从扩展显微镜到内爆制造

现有的制造纳米结构的技术所能制造的结构是有限的。用光在表面蚀刻图案可以产生二维纳米结构，但这不适用于三维结构。通过将二维结构逐层叠加来制造三维纳米结构是可能实现的，但是这个过程很缓慢，且具有挑战性。

另一方面，虽然存在直接3D打印纳米级物体的方法，但这些方法仅限于聚合物和塑料等特殊材料，这些材料缺乏许多应用所需的功能特性。此外，这些方法只能生成自支撑结构，例如，可以制作出一个实心金字塔，但不能制作出链状结构或空心的球面。

为了克服这些限制，Boyden和他的学生决定采用实验室几年前开发的一种对脑组织进行高分辨率成像的技术。这项技术被称为扩展显微镜（Expansion Microscopy），包括将组织埋入水凝胶中，然后使其扩展，从而在常规显微镜下实现高分辨率成像。生物和医学领域的数百个研究小组目前正在使用扩展显微镜，因为它可以用普通的硬件实现细胞和组织的三维可视化。

○ MIT的研究人员用扩展显微镜对完好无损的脑组织神经元内的蛋白质和RNA进行成像（2006年）。与电子显微镜相比，扩展显微镜允许研究人员对样本进行染色，以及观察蛋白质、RNA等特定分子。| 图片来源： Yosuke Bando, Fei Chen, Dawen Cai, Ed Boyden, and Young Gyu

研究人员发现，通过逆转这一过程，可以制造出内嵌于膨胀的水凝胶中的大尺寸物体，然后将其缩小到纳米尺寸，他们将这种方法称为“内爆制造”（implosion fabrication）。

扩展然后收缩

正如在扩展显微镜中所做的那样，研究人员使用了一种由聚丙烯酸酯制成的吸水性很强的材料（这种材料通常存在于尿布中），作为纳米制造过程的支架。支架浸泡在含有荧光素分子的溶液中，荧光素分子在被激光激活时会附着在支架上。

双光子显微镜可以精确定位结构深处的点，利用双光子显微镜，研究人员将荧光素分子附着在凝胶中的特定位置。荧光素分子充当锚点，可以与研究人员添加的其他类型的分子结合。

Boyden说：“可以用激光把锚（荧光素分子）固定在想要的地方，然后就可以把想要的任何物质固定在锚上，可以是一个量子点，可以是一段DNA，也可以是一个金纳米颗粒。”

Oran说：“这有点像胶片摄影——潜影是通过将凝胶中的感光材料暴露在光线下形成的。然后，可以通过附着另一种材料——银，将潜影发展成真正的图像。通过这种方式，内爆制造可以制作出各种各样的结构，包括梯度结构、非连通结构和多材料图案。”

○ 内爆制造技术可以用来制造几乎任何可以想象的形状。| 图片来源：Daniel Oran

一旦想要的分子附着在合适的位置，研究人员就会通过加入酸使整个结构收缩。这种酸会屏蔽聚丙烯酸酯凝胶中的负电荷，使它们不再相互排斥，导致凝胶收缩。

使用这项技术，研究人员可以在每一个维度上将物体缩小为原来的1/10，整体体积缩小为原来的1/1000。这种收缩能力不仅可以提高分辨率，还使得在低密度的支架中组装材料成为可能。这使得修改变得容易，之后材料收缩后就会变成致密的固体。

Rodriques说：“多年来，人们一直试图发明更好的设备来制造更小的纳米材料，但我们意识到，只要使用现有的系统，将材料嵌入凝胶中，就可以将它们缩小到纳米尺寸，而不会扭曲图案结构。”

目前，研究人员可以制造出1立方毫米左右、分辨率为50纳米的物体。在尺寸和分辨率之间有一个权衡：如果研究人员想要制造更大的物体，比如大约1立方厘米，可以达到约500纳米的分辨率。然而，随着这一过程的进一步完善，分辨率可能会提高。

应用：通往更好的光学

MIT的研究小组目前正在探索这项技术的潜在应用，他们预计最早的一些应用可能是在光学领域，例如，制造可以用来研究光的基本性质的特殊透镜。或许这项技术还可以用来制造更小、更好的镜头，应用于手机摄像头、显微镜、内窥镜等。在更远的将来，这种方法可以用来制造纳米级电子产品或机器人。

Boyden说：“你可以用这项技术做各种各样的事情，普及纳米制造可能会开辟出我们还无法想象的新领域。”

许多生物学和材料科学实验室已经拥有纳米制造所需的设备，这使得想要尝试这项技术的研究人员可以广泛使用它。Boyden说：“使用在许多生物实验室中都可以找到的激光，就可以扫描图案，然后沉积金属、半导体或DNA，然后缩小让它收缩。”