3D構造が1000倍に圧縮できる最新技術のご紹介

・研究者は、あらゆる形状や構造の物体の体積を減らすための新しい方法を発明。
・金属、量子ドット、DNAなどの幅広い材料に使用が可能。
・この技術は、ロボット工学、医学、光学の分野で使用可能。

既存のナノファブリケーション技術は現状、2Dおよび2.5Dのパターニング技術に依存しています。光を使用して表面にパターンを印刷すると、2Dナノ構造を作成できる仕組みですが、この戦略は3D構造ではあいにく機能しません。徐々にレイヤーを重ねて3Dオブジェクトを作成することもできますが、そのプロセスは非常に手間がかかります。

また、ナノ構造を直接3D印刷する技術は存在しますが、プラスチックやポリマーなどの特殊な材料が必要であるため、多くのアプリケーションの機能特性が制限されます。また、これらの技術は、自立構造のみを生成することができます。たとえば、ソルブピラミッドを生成することはできますが、中空球やリンクされたチェーンを生成することはできません。

この問題を解決するために、MITの研究者は、ほぼすべての形状と構造のナノスケール3Dオブジェクトを製造するための新しい方法を開発しました。 DNAや量子ドットなど、さまざまな材料でオブジェクトを作成できます。全体として、最終的な材料のフィーチャーサイズ、形状、および化学組成を大幅に制御できます。

元構造のボリュームの縮小

数年前、MITは顕微鏡を使用して高解像度のイメージングを実現するために、拡張顕微鏡と呼ばれる技術を開発しました。この技術は、組織をヒドロゲルに埋め込んで拡張します。現在、多くの研究所がこの方法を使用しています。

研究者たちはこのプロセスを逆に利用することで、大規模な構造をナノスケールに縮小することに成功しました。彼らはそれを「爆縮捏造」と呼んでいます。彼らは、フルオレセイン溶液に浸される足場として、ポリアクリル酸で作られた吸収性物質を使用しました。

次に、2光子顕微鏡を使用して、フルオレセインの分子をゲル内の特定の位置に付着させました。これらの分子は、他の材料（DNAや量子ドットなど）の分子を保持できるアンカーとして機能します。

標的分子が特定の位置に追加されると、塩酸または二価の陽イオン（たとえば、塩化マグネシウム）を追加することによって構造全体を縮小することができます。これにより、ゲル内の負電荷がブロックされ、分子が互いに反発しにくくなり、構造全体が収縮します。

この方法では、構造を各次元で最大10倍に縮小できるため、体積を1000分の1に減らすことができます。材料は低密度の足場に組み立てることができ、解像度を上げることもできます。収縮後、材料は緻密な固体になります。

このゲルに材料を埋め込んで技術を適用するだけで、パターンを歪めることなく、材料の体積をナノスケールにまで減らすことができます。

アプリケーション

この技術は、ロボット工学から医学、光学まで、いくつかの分野で応用できる可能性があります。たとえば、光の特性を研究するための特殊なレンズの製造、顕微鏡、内視鏡、モバイルカメラなどのデバイス用のより小型で優れたレンズの製造に使用できます。

この技術は、多くの材料科学および生物学の研究室ですでに利用可能な機器を使用しています。この手法の試用に関心のある研究者は、パターンを簡単にスキャンし、ターゲットマテリアルを堆積して、縮小することができます。