「蟻人」不再是科幻！MIT最新研究，能把任何材料物體縮小1000倍

李杉 發自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

科學加速，科幻成真也在加速。

漫威世界中，蟻人是螞蟻大小的超級英雄，靠一件「變身服」，人類就能在更微觀的世界裡大幹一場。

現在，類似的科幻想像，被MIT變成現實。

小小小，千分之一

但MIT的新研究，並不是靠一件神奇皮衣。

而是更科學的方法，先造一個相對大的，然後再等比例縮小，直至納米級精度，最後通過3D列印帶到世間。

在剛剛披露的研究結果中，MIT科學家們將此技術稱為內爆製造（implosion fabrication）。當前，可以實現原始體積千分之一地縮小。

不限材料，不限形狀，人類終於可以創造任何納米級精度的3D物體。

比如說這個結構：

而且，這種方法還適用於多種材料，比如金屬、量子點、DNA全都可以。

要知道，以前要用3D列印分層製造納米級結構，僅限於平面結構或者金字塔之類的簡單幾何形狀，上圖這樣的形狀，複雜度顯然進入了另一個層次。

「通過這種方法，幾乎可以將任何材料變成納米級的3D形狀」，麻省理工大學神經技術教授、生物工程與大腦和認知科學副教授Edward Boyden說。

Edward Boyden

利用這項新技術，人類就可以使用激光塑造任意形狀和結構的聚合物支架。把其他有用的材料附著到支架上之後，再將其收縮，由此產生的結構僅為原始體積的千分之一。

應用前景也極具想像力。

MIT科學家說，這種微小結構，可以應用於光學、醫學和機器人等領域。

而且更令人興奮的是，該技術使用的設備已經存在於許多生物學和材料學實驗室。所以很多科學家都可以進行嘗試。

實驗設備

這真真推開了一個新世界大門啊。

你可以想像，假如我們能夠打造一個「腦蟲」大小的機器人，再加以AI等軟體能力，大腦世界和諸多腦疾病，可能就會被向前推進一大步。

或許不用等到下一個世紀，我們人類就能在探索星辰大海的同時，也可以把原子量子世界看得清楚。

還值得注意的是，這項研究的參與者中，就有腦科學和癌症研究的科學家。

我們剛提到的Edward Boyden，除了作為該研究論文資深作者，還有幾個身份：MIT媒體實驗室、麥戈文腦研究所和科赫綜合癌症研究所成員。

這項新研究的論文，也已經發表在12月13日出版的《科學》雜誌上。

Boyden教授之外，另一位資深作者是MIT媒體實驗室研究員Adam Marblestone。

而該論文的第一作者，則是研究生Samuel Rodriques和Daniel Oran.

Samuel Rodriques和Daniel Oran

嗯，大牛帶小牛，江山代有才人出。

內爆製造

那這項技術背後究竟是什麼樣的原理？

不妨看看MIT的庖丁解牛：

按理說，打造一個很小的物體，最直接的方法是直接造。但目前用於創建納米結構的技術面臨很多局限。

用光在表面上蝕刻圖案可以產生2D納米結構，但不適用於3D結構。可以通過逐層添加來製造3D納米結構，但是這個過程太過緩慢，而且頗具挑戰性。

不僅如此，雖然現存的方法可直接進行納米級物體的3D列印，但僅限於聚合物和塑料等專用材料，因而缺乏很多具體應用所需的功能特性。

此外，這也只能製作自支撐結構。例如，該技術可以製作實心金字塔，但不能製作鏈條或空心球之類的。

實驗設備

為了突破這些限制，Boyden和他的學生決定採用他的實驗室幾年前開發的腦組織高解析度成像技術。

這種被稱為擴增顯微鏡的技術需要將組織嵌入水凝膠中然後使其膨脹，這樣就能使用常規顯微鏡進行高解析度成像。

生物學和醫學領域的數百個研究小組現在都在使用擴增顯微鏡，因為它可以用普通硬體實現細胞和組織的三維可視化。

通過逆轉這一過程，研究人員發現他們可以製作大尺寸的物體，將其嵌入膨脹的水凝膠中，然後再縮小到納米級別，這種方法稱為「內爆製造」。

與他們在擴增顯微鏡領域採取的措施相似，研究者使用了一種吸水性很強的材料用作納米加工過程的支架——這種材料是由尿不濕中常見的聚丙烯酸酯製成的。

將支架浸泡在含有熒光素分子的溶液中，被激光激活後，熒光素分子就會附著在支架上。

雙光子顯微鏡可以精確定位結構深處的點，研究人員藉助這種設備將熒光素分子附著到凝膠內的特定位置。

熒光素分子相當於錨，可以與研究人員添加的其他類型的分子固定在一起。

「你可以用光線將錨固件到你想要的位置，之後便可將任何東西固定到錨上」，Boyden說。

「它可能是一個量子點，可能是一個DNA片段，它可能是一個金納米粒子。」

這有點像膠片攝影——通過將凝膠中的敏感材料暴露在光線下形成潛像。

然後可以通過附加另一種材料，也就是銀，便可將潛像製作成真實影像。

通過這種方式，內爆製造可以創造各種結構，包括漸變形態、無連接結構和多材料圖案。

一旦所需分子附著到正確的位置，研究人員就會通過添加酸來收縮整個結構。

酸阻斷聚丙烯酸酯凝膠中的負電荷，使它們不再相互排斥，導致凝膠收縮。

使用這種技術，研究人員可以將物體的每個維度縮小10倍——整體體積就縮小到了原先的1/1000。

這種收縮能力不僅可以提高解析度，還可以在低密度支架中組裝材料。這樣可以輕鬆進行修改。

之後，材料在收縮時，就會變成緻密的固體。

「人們多年來一直在努力發明更好的設備來製造更小的納米材料，而我們意識到，如果你只是使用現有的系統並將你的材料嵌入這種凝膠中，便可將它們縮小到納米級，但卻不會扭曲圖案」，研究者Rodriques介紹。

目前，研究人員可以創建體積大約為1立方毫米的物體，圖案解析度為50納米。

尺寸大小和解析度之間，相互影響。如果研究人員想要製作大約1立方厘米的較大物體，便可達到約500納米的解析度。

不過他們也表示，解析度還可以進一步在過程中被改進。

打開新世界

麻省理工學院的團隊現在正在探索這項技術的潛在應用，他們預計一些最早的應用可能來自光學領域——例如，可以製作用於研究光的基本屬性的專用鏡頭。

研究人員表示，這項技術還可以為手機攝像頭、顯微鏡或內窺鏡等應用製造更小、更好的鏡頭。

他們也認為，這種方法在更遠的未來還可用於構建納米級電子設備或機器人。

「你可以做各種各樣的事情」，Boyden說。

「納米製造技術普及之後，就有可能開闢我們尚未想像的前沿領域。」

許多研究實驗室已經擁有這種製造方法所需的設備。

Boyden教授還解釋，現在就可以在許多生物實驗室找到激光設備，能掃描圖案，然後沉積金屬、半導體或DNA，再將其收縮。

有意思的是，他們還用這種技術製造了一幅超小型的愛麗絲漫遊仙境版畫。方法依然是先製造、再縮小：

對於這項新技術，《科學》雜誌也給出了評價，他們認為，雖然現在通過增材製造技術可以裝配各種材料，但這通常涉及組裝一系列堆疊層，也就限制了3D幾何形狀。

MIT的新方法能在凝膠支架內列印各種材料，金屬、半導體都包含在內。水凝膠脫水之後，它們就會縮小10倍，將特徵尺寸推向了納米級。

即便離「變大變小」的原子戰衣幻想還非常遙遠，但人類又在微觀科學世界中，邁出了一大步。

如果這項技術你也能用，你又會造個什麼「小」物體呢？

原報道素材：

http://news.mit.edu/2018/shrink-any-object-nanoscale-1213?from=groupmessage&isappinstalled=0

https://www.newscientist.com/article/2188114-incredible-shrinking-3d-printer-can-make-really-tiny-objects/

http://science.sciencemag.org/content/362/6420/1281.editor-summary

—完—

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