211service.com
En genvej til designer nanostrukturer
En ny nanolitografimetode kunne nedbringe omkostningerne ved at lave eksperimentelle computerchips til elektronikforskning og arrays af biomolekyler til cellebiologi. Metoden gør det muligt at afsætte fine mønstre af materialer, eller skære dem væk, ved hjælp af store rækker af siliciumpenne, der sidder på fjedre; det kombinerer evnen til at mønstre vilkårlige designs, der har funktioner i nanoskala, med evnen til at arbejde hurtigt og over relativt store områder.
Nanodot design: Prikkerne, der udgør dette billede, som viser pyramiden fra en amerikansk dollarseddel, er 150 nanometer fra hinanden. En række af disse pyramidebilleder, der hver målte 30 gange 33 mikrometer, blev lavet på en guldfilm ved hjælp af en ny nanolitografimetode.
De mest almindelige metoder til at lave brugerdefinerede nanostrukturer er dip-pen litografi, som involverer deponering af molekyler ved hjælp af spidsen af et atomkraftmikroskop, og elektronstrålelitografi, som indebærer at skære dem væk med elektronstråler. Begge metoder lader forskere realisere nye designs med nanoskopiske funktioner, men de er utroligt tidskrævende og dyre.
I det seneste årti, Chad Mirkin , professor i kemi ved Northwestern University, har arbejdet på måder at reducere omkostningerne og den nødvendige tid til fremstilling af nanoskala. Mirkin opfandt dip-pen litografi i 1999; i 2008 udviklede han en mere praktisk tilgang ved at bruge polymerpenne i stedet for mikroskopspidser. Pennene er billigere end mikroskopspidserne, nemmere at arbejde med og arbejder over større områder. Disse pen-arrays kan sprøjtes med forskellige molekylære blæk på deres spidser og derefter fastgøres til den bevægelige arm af et scanning-probe-mikroskop for at spore designs. Polymer-pen-arrays er dog ikke særlig gode til at mønstre funktioner i nanoskala, fordi spidsen af pennen er blød. Man kan kun blive så lille, siger Mirkin.
Nu har Mirkin udviklet et array, der fungerer på lignende måde, men som kan skabe meget mindre funktioner. Når de skubbes hen over en overflade ved hjælp af et scanning-probe-mikroskop, kan de nye arrays - lavet af hårde siliciumspidser fastgjort til en fjedrende polymerbagside - enten afsætte molekyler for at lave nanostrukturer eller fungere som små elektriske mejsler, der skærer materiale væk. Det er denne kombination af den hårde, fine siliciumspids med den giv, der tillades af det underliggende polymerlag, der muliggør højere opløsning. Mirkin kalder metoden hard-tip, soft-spring litografi.
Denne uge i journalen Natur , rapporterer Mirkin at bruge denne metode til at skabe mønstre med funktioner mindre end 50 nanometer. I en demonstration brugte forskerne arrays til at udskære 30 x 30 mikrometer kopier af pyramiden på den amerikanske dollarseddel på guldfilm. Udskrivning af et kvadratcentimeter område af disse pyramider tog omkring 200 minutter. De trykte også mønstre ved hjælp af biomolekyler og elektriske materialer.
Dette fremskridt har en god chance for at ændre scanning-probe litografi fra akademisk [brug] til at være et vigtigt produktions- og prototypeværktøj, der er bredt brugt på tværs af halvleder- og bioteknologiindustrien, siger Joseph DeSimone , professor i kemi ved University of North Carolina i Chapel Hill.
En sandsynlig anvendelse for litografiteknikken er produktionen af et lille antal specielle computerchips, siger DeSimone. Der er stigende efterspørgsel efter små partier af chips til afprøvning af nye kredsløbsdesign såvel som efter specialiserede chips til nicheapplikationer, især i militæret. At lave en ny chip kræver at lave en ny maske, der svarer til et fotografisk negativ, der bruges til at mønstre kredsløbene på en wafer. Der er et enormt udækket behov for at lave chips ved hjælp af maskeløse tilgange, siger DeSimone.
På kort sigt, siger Mirkin, vil cellebiologer sandsynligvis finde anvendelser til teknikken i deres laboratorier. Teknikken kunne hjælpe dem med at forstå, hvordan cellulære interaktioner på nanoskala kontrollerer stamcelledifferentiering og spredning af kræft i hele kroppen, siger han. Ved at bruge fremgangsmåden kunne store arrays dækkes med hundredtusindvis af celler for at få statistisk signifikant information om, hvordan de reagerer på disse rumligt mønstrede kemiske signaler.
Milan Mrksich , professor i kemi ved University of Chicago, siger, at Mirkins nye litografiteknik kunne muliggøre helt nye forskningsområder. Det kan for eksempel muliggøre nye undersøgelser af celleadhæsion. Biologer ved, at en celles vedhæftning til en overflade bestemmes af bittesmå nanostrukturer kaldet fokale adhæsioner, der varierer i størrelse. Disse er vigtige, fordi når celleadhæsion bryder ned, kan en kræftcelle bryde fri fra en tumor og spredes i hele kroppen. Mrksich siger, at mønstrede arrays lavet ved hjælp af Mirkins teknik kunne vise cellebiologer, hvordan størrelsen af de fokale adhæsioner regulerer celleadfærd.
Denne metode skulle åbne op for desktop-fabrikation for mange flere forskere, siger Mirkin. Et firma ringede Nano blæk har kommercialiseret tidligere litografimetoder fra sit laboratorium. Han siger, at universitetet sandsynligvis vil licensere nanolitografimetoden til en virksomhed, ikke nødvendigvis Nano Ink. Mrksich er også i det videnskabelige rådgivende udvalg for dette selskab.