Ngày 23 tháng 2022 năm XNUMX (Tin tức Nanowerk) Yongxin (Leon) Zhao của Đại học Carnegie Mellon và Shih-Chi Chen của Đại học Trung Hoa Hồng Kông có một ý tưởng lớn về sản xuất các thiết bị nano. Phòng thí nghiệm Biophotonics của Zhao phát triển các kỹ thuật mới để nghiên cứu các quá trình sinh học và bệnh lý trong tế bào và mô. Thông qua một quy trình gọi là kính hiển vi mở rộng, phòng thí nghiệm làm việc để cải tiến các kỹ thuật nhằm phóng to các mẫu cực nhỏ theo tỷ lệ được nhúng trong hydrogel, cho phép các nhà nghiên cứu có thể xem các chi tiết nhỏ mà không cần nâng cấp kính hiển vi của họ. Vào năm 2019, một cuộc trò chuyện đầy cảm hứng với Shih-Chi Chen, người đã đến thăm Carnegie Mellon với tư cách là diễn giả được mời và là giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Tự động hóa của Đại học Hồng Kông, đã khơi dậy sự hợp tác giữa hai nhà nghiên cứu. Họ nghĩ rằng họ có thể sử dụng kiến thức chuyên môn kết hợp của mình để tìm ra các giải pháp mới cho thách thức lâu dài trong chế tạo vi mô: phát triển các cách để giảm kích thước của các thiết bị nano có thể in xuống chỉ còn 10 nanomet hoặc dày vài nguyên tử. Giải pháp của họ ngược lại với kính hiển vi mở rộng: tạo mẫu 3D của vật liệu trong hydrogel và thu nhỏ nó để có độ phân giải cỡ nano. “Shih-Chi được biết đến với việc phát minh ra hệ thống in khắc hai photon cực nhanh,” Zhao, Phó Giáo sư Khoa học Sinh học về Phát triển Sự nghiệp của Gia đình Eberly cho biết. “Chúng tôi đã gặp nhau trong chuyến thăm của anh ấy tới Carnegie Mellon và quyết định kết hợp các kỹ thuật và chuyên môn của chúng tôi để theo đuổi ý tưởng cấp tiến này.” Kết quả của sự hợp tác mở ra những cánh cửa mới cho việc thiết kế các thiết bị nano tinh vi và được công bố trên tạp chí Khoa học (“Chế tạo nano 3D thông qua tạo mẫu bằng laze cực nhanh và lắp ráp vật liệu được điều chỉnh bằng động học”).
(A) Hình ảnh huỳnh quang của hai con rồng CdSe QDs không bị co lại; hình nhỏ cho thấy độ phân giải ∼ 200nm. (BF) Hình ảnh SEM (trên cùng) và EDX (dưới cùng) của một con khỉ Ag; lợn hợp kim Au-Ag; con rắn TiO2; con chó của Fe3O4; và thỏ của NaYREF4, tương ứng. (G) Thiết kế hoa văn rồng trong (A). (H) Hình ảnh hiển vi quang học của một con bò kim cương. (IM) Hình ảnh huỳnh quang của một con hổ bằng graphene; dê huỳnh quang Au; ngựa polystyrene; gà trống huỳnh quang; và chuột của protein huỳnh quang, tương ứng. (NR) mô hình 3D và hình ảnh huỳnh quang (phép chiếu cường độ cực đại) của các cấu trúc được chế tạo theo hình dạng của phân tử C60, khối mười hai mặt đều, bát diện đều, khối lập phương và tứ diện đều bằng các vật liệu khác nhau, tương ứng. (S) Chế độ xem từ trên xuống của cấu trúc bộ cộng hưởng vòng tách năm lớp (SRR); hình nhỏ: đơn vị SRR; và (T) chế độ xem ba chiều của cấu trúc SRR; hình nhỏ: chế độ xem lát cắt của một đơn vị SRR. (U) Ảnh SEM của lớp trên cùng của cấu trúc SRR sau khi bị co lại và mất nước. (V) Mô hình 3D của cấu trúc đống gỗ chứa 16 thanh dọc dọc theo trục z. (W, X) Hình ảnh cắt ngang SEM của đống gỗ được chế tạo tại hai mặt phẳng cắt trong (V), tương ứng. (Góc nghiêng đế: 52°). Thanh tỷ lệ là 1 Pha cho (BF, U, W, X và các phần tử của S và T); và 10 µm đối với (A, HM, NT). (Hình ảnh: Đại học Carnegie Mellon) Trong khi các máy in 3D kích thước nano thông thường tập trung một điểm laser để xử lý vật liệu liên tục và mất nhiều thời gian để hoàn thành một thiết kế, thì phát minh của Chen thay đổi độ rộng của xung laser để tạo thành các tấm ánh sáng có hoa văn, cho phép tạo ra toàn bộ hình ảnh chứa hàng trăm nghìn điểm ảnh (voxels) được in cùng lúc mà không ảnh hưởng đến độ phân giải trục.
Kỹ thuật sản xuất được gọi là kỹ thuật in thạch bản hai photon dự án femto giây, hay FP-TPL. Phương pháp này nhanh hơn tới 1,000 lần so với các kỹ thuật in nano trước đây và có thể dẫn đến in nano quy mô lớn hiệu quả về chi phí để sử dụng trong công nghệ sinh học, quang tử hoặc thiết bị nano.
Đối với quy trình này, các nhà nghiên cứu sẽ điều khiển tia laser hai photon của femto giây để sửa đổi cấu trúc mạng và kích thước lỗ của hydrogel, sau đó tạo ra ranh giới cho các vật liệu phân tán trong nước. Hydrogel sau đó sẽ được ngâm trong nước có chứa các hạt nano kim loại, hợp kim, kim cương, tinh thể phân tử, polyme hoặc mực bút máy.
Zhao cho biết: “Thông qua một sự tình cờ ngẫu nhiên, tất cả các vật liệu nano mà chúng tôi thử nghiệm đều tự động bị hút vào mẫu in trong hydrogel và được lắp ráp một cách đẹp mắt. “Khi gel co lại và mất nước, các vật liệu thậm chí còn trở nên dày đặc hơn và kết nối với nhau.” Ví dụ, nếu một hydrogel đã in được đặt vào dung dịch hạt nano bạc, thì các hạt nano bạc sẽ tự lắp ráp vào gel dọc theo mẫu in bằng laser. Khi gel khô đi, nó có thể co lại tới 13 lần kích thước ban đầu, làm cho bạc đủ đậm đặc để tạo thành dây nano bạc và dẫn điện, Zhao cho biết.
Bởi vì gel là ba chiều, nên các mẫu in cũng có thể như vậy.
Để minh họa việc sử dụng kỹ thuật này cho lưu trữ quang được mã hóa — chẳng hạn như cách đĩa CD và DVD được ghi và đọc bằng tia laser — nhóm đã thiết kế và chế tạo cấu trúc nano 3D bảy lớp có thể đọc “KHOA HỌC” sau khi nó được giải mã bằng quang học.
Mỗi lớp chứa một hình ba chiều 200 × 200 pixel của một chữ cái. Sau khi thu nhỏ mẫu, toàn bộ cấu trúc xuất hiện dưới dạng hình chữ nhật mờ dưới kính hiển vi quang học. Người ta sẽ cần thông tin chính xác về mức độ mở rộng mẫu và nơi chiếu ánh sáng để đọc thông tin.
“Dựa trên kết quả của chúng tôi, kỹ thuật này có thể đóng gói thông tin trị giá 5 petabit trong một centimet khối không gian nhỏ. Đó là khoảng 2.5 lần của tất cả Hoa Kỳ thư viện nghiên cứu học thuật kết hợp.” anh ấy nói.
Zhao nói rằng trong tương lai, mục tiêu của các nhà nghiên cứu là chế tạo các thiết bị nano chức năng bằng nhiều vật liệu.
Zhao cho biết: “Cuối cùng, chúng tôi muốn sử dụng công nghệ mới để chế tạo các thiết bị nano chức năng, như mạch nano, cảm biến nano sinh học hoặc thậm chí là robot nano cho các ứng dụng khác nhau.
(A) Hình ảnh huỳnh quang của hai con rồng CdSe QDs không bị co lại; hình nhỏ cho thấy độ phân giải ∼ 200nm. (BF) Hình ảnh SEM (trên cùng) và EDX (dưới cùng) của một con khỉ Ag; lợn hợp kim Au-Ag; con rắn TiO2; con chó của Fe3O4; và thỏ của NaYREF4, tương ứng. (G) Thiết kế hoa văn rồng trong (A). (H) Hình ảnh hiển vi quang học của một con bò kim cương. (IM) Hình ảnh huỳnh quang của một con hổ bằng graphene; dê huỳnh quang Au; ngựa polystyrene; gà trống huỳnh quang; và chuột của protein huỳnh quang, tương ứng. (NR) mô hình 3D và hình ảnh huỳnh quang (phép chiếu cường độ cực đại) của các cấu trúc được chế tạo theo hình dạng của phân tử C60, khối mười hai mặt đều, bát diện đều, khối lập phương và tứ diện đều bằng các vật liệu khác nhau, tương ứng. (S) Chế độ xem từ trên xuống của cấu trúc bộ cộng hưởng vòng tách năm lớp (SRR); hình nhỏ: đơn vị SRR; và (T) chế độ xem ba chiều của cấu trúc SRR; hình nhỏ: chế độ xem lát cắt của một đơn vị SRR. (U) Ảnh SEM của lớp trên cùng của cấu trúc SRR sau khi bị co lại và mất nước. (V) Mô hình 3D của cấu trúc đống gỗ chứa 16 thanh dọc dọc theo trục z. (W, X) Hình ảnh cắt ngang SEM của đống gỗ được chế tạo tại hai mặt phẳng cắt trong (V), tương ứng. (Góc nghiêng đế: 52°). Thanh tỷ lệ là 1 Pha cho (BF, U, W, X và các phần tử của S và T); và 10 µm đối với (A, HM, NT). (Hình ảnh: Đại học Carnegie Mellon) Trong khi các máy in 3D kích thước nano thông thường tập trung một điểm laser để xử lý vật liệu liên tục và mất nhiều thời gian để hoàn thành một thiết kế, thì phát minh của Chen thay đổi độ rộng của xung laser để tạo thành các tấm ánh sáng có hoa văn, cho phép tạo ra toàn bộ hình ảnh chứa hàng trăm nghìn điểm ảnh (voxels) được in cùng lúc mà không ảnh hưởng đến độ phân giải trục.
Kỹ thuật sản xuất được gọi là kỹ thuật in thạch bản hai photon dự án femto giây, hay FP-TPL. Phương pháp này nhanh hơn tới 1,000 lần so với các kỹ thuật in nano trước đây và có thể dẫn đến in nano quy mô lớn hiệu quả về chi phí để sử dụng trong công nghệ sinh học, quang tử hoặc thiết bị nano.
Đối với quy trình này, các nhà nghiên cứu sẽ điều khiển tia laser hai photon của femto giây để sửa đổi cấu trúc mạng và kích thước lỗ của hydrogel, sau đó tạo ra ranh giới cho các vật liệu phân tán trong nước. Hydrogel sau đó sẽ được ngâm trong nước có chứa các hạt nano kim loại, hợp kim, kim cương, tinh thể phân tử, polyme hoặc mực bút máy.
Zhao cho biết: “Thông qua một sự tình cờ ngẫu nhiên, tất cả các vật liệu nano mà chúng tôi thử nghiệm đều tự động bị hút vào mẫu in trong hydrogel và được lắp ráp một cách đẹp mắt. “Khi gel co lại và mất nước, các vật liệu thậm chí còn trở nên dày đặc hơn và kết nối với nhau.” Ví dụ, nếu một hydrogel đã in được đặt vào dung dịch hạt nano bạc, thì các hạt nano bạc sẽ tự lắp ráp vào gel dọc theo mẫu in bằng laser. Khi gel khô đi, nó có thể co lại tới 13 lần kích thước ban đầu, làm cho bạc đủ đậm đặc để tạo thành dây nano bạc và dẫn điện, Zhao cho biết.
Bởi vì gel là ba chiều, nên các mẫu in cũng có thể như vậy.
Để minh họa việc sử dụng kỹ thuật này cho lưu trữ quang được mã hóa — chẳng hạn như cách đĩa CD và DVD được ghi và đọc bằng tia laser — nhóm đã thiết kế và chế tạo cấu trúc nano 3D bảy lớp có thể đọc “KHOA HỌC” sau khi nó được giải mã bằng quang học.
Mỗi lớp chứa một hình ba chiều 200 × 200 pixel của một chữ cái. Sau khi thu nhỏ mẫu, toàn bộ cấu trúc xuất hiện dưới dạng hình chữ nhật mờ dưới kính hiển vi quang học. Người ta sẽ cần thông tin chính xác về mức độ mở rộng mẫu và nơi chiếu ánh sáng để đọc thông tin.
“Dựa trên kết quả của chúng tôi, kỹ thuật này có thể đóng gói thông tin trị giá 5 petabit trong một centimet khối không gian nhỏ. Đó là khoảng 2.5 lần của tất cả Hoa Kỳ thư viện nghiên cứu học thuật kết hợp.” anh ấy nói.
Zhao nói rằng trong tương lai, mục tiêu của các nhà nghiên cứu là chế tạo các thiết bị nano chức năng bằng nhiều vật liệu.
Zhao cho biết: “Cuối cùng, chúng tôi muốn sử dụng công nghệ mới để chế tạo các thiết bị nano chức năng, như mạch nano, cảm biến nano sinh học hoặc thậm chí là robot nano cho các ứng dụng khác nhau.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến thức. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62071.php
