Des chercheurs du MIT ont inventé un moyen de fabriquer des objets 3-D à l'échelle nanométrique de presque n'importe quelle forme. Ils peuvent également modeler les objets avec une variété de matériaux utiles, y compris les métaux, points quantiques, et l'ADN.

"C'est une façon de mettre presque n'importe quel type de matériau dans un motif 3D avec une précision à l'échelle nanométrique, " dit Edward Boyden, professeur agrégé de génie biologique et de sciences du cerveau et cognitives au MIT.

Grâce à la nouvelle technique, les chercheurs peuvent créer n'importe quelle forme et structure qu'ils souhaitent en modelant un échafaudage en polymère avec un laser. Après avoir attaché d'autres matériaux utiles à l'échafaudage, ils le rétrécissent, générant des structures un millième du volume de l'original.

Ces minuscules structures pourraient avoir des applications dans de nombreux domaines, de l'optique à la médecine en passant par la robotique, disent les chercheurs. La technique utilise des équipements que de nombreux laboratoires de biologie et de science des matériaux possèdent déjà, le rendant largement accessible aux chercheurs qui veulent l'essayer.

Boyden, qui est également membre du Media Lab du MIT, Institut McGovern de recherche sur le cerveau, et Institut Koch pour la recherche intégrative sur le cancer, est l'un des auteurs principaux de l'article, qui apparaît dans le numéro du 13 décembre de Science . L'autre auteur principal est Adam Marblestone, un affilié de recherche Media Lab, et les auteurs principaux de l'article sont les étudiants diplômés Daniel Oran et Samuel Rodriques.

Fabrication d'implosion

Les techniques existantes pour créer des nanostructures sont limitées dans ce qu'elles peuvent accomplir. La gravure de motifs sur une surface avec de la lumière peut produire des nanostructures 2D mais ne fonctionne pas pour les structures 3D. Il est possible de réaliser des nanostructures 3D en ajoutant progressivement des couches les unes sur les autres, mais ce processus est lent et difficile. Et, alors qu'il existe des méthodes permettant d'imprimer directement en 3D des objets nanométriques, ils sont limités à des matériaux spécialisés comme les polymères et les plastiques, qui n'ont pas les propriétés fonctionnelles nécessaires à de nombreuses applications. Par ailleurs, ils ne peuvent générer que des structures autoportantes. (La technique peut donner une pyramide solide, par exemple, mais pas une chaîne liée ou une sphère creuse.)

Pour surmonter ces limites, Boyden et ses étudiants ont décidé d'adapter une technique que son laboratoire a développée il y a quelques années pour l'imagerie à haute résolution du tissu cérébral. Cette technique, connu sous le nom de microscopie à expansion, implique l'inclusion de tissu dans un hydrogel puis son expansion, permettant une imagerie haute résolution avec un microscope ordinaire. Des centaines de groupes de recherche en biologie et en médecine utilisent désormais la microscopie à expansion, car il permet la visualisation 3D des cellules et des tissus avec du matériel ordinaire.

En inversant ce processus, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient créer des objets à grande échelle intégrés dans des hydrogels expansés, puis les réduire à l'échelle nanométrique, une approche qu'ils appellent « fabrication d'implosion ».

Comme ils l'ont fait pour la microscopie à expansion, les chercheurs ont utilisé un matériau très absorbant en polyacrylate, trouve couramment dans les couches, comme échafaudage pour leur processus de nanofabrication. L'échafaudage est baigné dans une solution qui contient des molécules de fluorescéine, qui se fixent à l'échafaudage lorsqu'ils sont activés par la lumière laser.

En utilisant la microscopie à deux photons, qui permet un ciblage précis des points en profondeur dans une structure, les chercheurs attachent des molécules de fluorescéine à des emplacements spécifiques dans le gel. Les molécules de fluorescéine agissent comme des ancres qui peuvent se lier à d'autres types de molécules que les chercheurs ajoutent.

"Vous attachez les ancres où vous voulez avec de la lumière, et plus tard, vous pouvez attacher ce que vous voulez aux ancres, " dit Boyden. " Cela pourrait être un point quantique, ça pourrait être un morceau d'ADN, il pourrait s'agir d'une nanoparticule d'or."

"C'est un peu comme la photographie argentique :une image latente est formée en exposant à la lumière un matériau sensible dans un gel. Ensuite, vous pouvez transformer cette image latente en une image réelle en attachant un autre matériau, argent, après. De cette façon, la fabrication par implosion peut créer toutes sortes de structures, y compris les dégradés, structures non connectées, et motifs multimatériaux, " dit Oran.

Une fois les molécules souhaitées fixées aux bons endroits, les chercheurs rétrécissent toute la structure en ajoutant un acide. L'acide bloque les charges négatives dans le gel polyacrylate afin qu'elles ne se repoussent plus, provoquant la contraction du gel. En utilisant cette technique, les chercheurs peuvent réduire les objets de 10 fois dans chaque dimension (pour un total de 1, réduction de volume de 000 fois). Cette capacité de rétrécissement permet non seulement une résolution accrue, mais permet également d'assembler des matériaux dans un échafaudage à faible densité. Cela permet un accès facile pour la modification, et plus tard, le matériau devient un solide dense lorsqu'il est rétréci.

"Depuis des années, les gens essaient d'inventer de meilleurs équipements pour fabriquer des nanomatériaux plus petits, mais nous avons réalisé que si vous utilisez simplement des systèmes existants et intégrez vos matériaux dans ce gel, vous pouvez les réduire à l'échelle nanométrique, sans déformer les motifs, " dit Rodriques.

Actuellement, les chercheurs peuvent créer des objets d'environ 1 millimètre cube, avec une résolution de 50 nanomètres. Il y a un compromis entre la taille et la résolution :si les chercheurs veulent fabriquer des objets plus gros, environ 1 centimètre cube, ils peuvent atteindre une résolution d'environ 500 nanomètres. Cependant, que la résolution pourrait être améliorée en affinant davantage le processus, disent les chercheurs.

Meilleure optique

L'équipe du MIT explore actuellement les applications potentielles de cette technologie, et ils prévoient que certaines des premières applications pourraient être dans l'optique, par exemple, fabriquer des lentilles spécialisées qui pourraient être utilisées pour étudier les propriétés fondamentales de la lumière. Cette technique pourrait également permettre la fabrication de plus petits, de meilleurs objectifs pour des applications telles que les appareils photo pour téléphones portables, microscopes, ou endoscopes, disent les chercheurs. Plus loin dans le futur, les chercheurs disent que cette approche pourrait être utilisée pour construire de l'électronique ou des robots à l'échelle nanométrique.

"Il y a toutes sortes de choses que vous pouvez faire avec ça, ", dit Boyden. "La démocratisation de la nanofabrication pourrait ouvrir des frontières que nous ne pouvons pas encore imaginer."

De nombreux laboratoires de recherche disposent déjà des équipements nécessaires à ce type de fabrication. "Avec un laser que l'on trouve déjà dans de nombreux labos de biologie, vous pouvez scanner un motif, puis déposer des métaux, semi-conducteurs, ou ADN, puis le réduire, " dit Boyden.