Yongxin (Leon) Zhao de la Universidad Carnegie Mellon y Shih-Chi Chen de la Universidad China de Hong Kong tienen una gran idea para fabricar nanodispositivos. El laboratorio de biofotónica de Zhao desarrolla técnicas novedosas para estudiar procesos biológicos y patológicos en células y tejidos. A través de un proceso llamado microscopía de expansión, el laboratorio trabaja para avanzar en técnicas para agrandar proporcionalmente muestras microscópicas incrustadas en un hidrogel, lo que permite a los investigadores poder ver detalles finos sin actualizar sus microscopios. En 2019, una conversación inspiradora con Shih-Chi Chen, quien visitaba Carnegie Mellon como orador invitado y es profesor en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Automatización de la Universidad China de Hong Kong, provocó una colaboración entre los dos investigadores. Pensaron que podrían usar su experiencia combinada para encontrar soluciones novedosas para el desafío de larga data en la microfabricación: desarrollar formas de reducir el tamaño de los nanodispositivos imprimibles a tan solo decenas de nanómetros o varios átomos de espesor. Su solución es lo opuesto a la microscopía de expansión: crear el patrón 3D de un material en hidrogel y reducirlo para obtener una resolución a nanoescala. “Shih-Chi es conocido por inventar el sistema ultrarrápido de litografía de dos fotones”, dijo Zhao, profesor asociado de ciencias biológicas para el desarrollo profesional de la familia Eberly. “Nos conocimos durante su visita a Carnegie Mellon y decidimos combinar nuestras técnicas y experiencia para perseguir esta idea radical”. Los resultados de la colaboración abren nuevas puertas para diseñar nanodispositivos sofisticados y se publican en la revista Science. Mientras que las impresoras 3D a nanoescala convencionales enfocan un punto láser para procesar materiales en serie y tardan mucho tiempo en completar un diseño, la invención de Chen cambia el ancho del pulso del láser para formar láminas de luz estampadas, lo que permite una imagen completa que contiene cientos de miles de píxeles ( vóxeles) para ser impresos a la vez sin comprometer la resolución axial. La técnica de fabricación se llama litografía de dos fotones de proyecto de femtosegundos, o FP-TPL. El método es hasta 1.000 veces más rápido que las técnicas de nanoimpresión anteriores y podría conducir a una nanoimpresión rentable a gran escala para su uso en biotecnología, fotónica o nanodispositivos. Para el proceso, los investigadores dirigirían el láser de dos fotones de femtosegundos para modificar la estructura de la red y el tamaño de los poros del hidrogel, que luego crea límites para los materiales dispersables en agua. Luego, el hidrogel se sumergiría en agua que contiene nanopartículas de metal, aleaciones, diamantes, cristales moleculares, polímeros o tinta de pluma estilográfica. “A través de una casualidad fortuita, los nanomateriales que probamos fueron atraídos automáticamente al patrón impreso en hidrogel y se ensamblaron maravillosamente”, dijo Zhao. “A medida que el gel se contrae y se deshidrata, los materiales se empaquetan aún más y se conectan entre sí”. Por ejemplo, si se coloca un hidrogel impreso en una solución de nanopartículas de plata, las nanopartículas de plata se autoensamblan en el gel a lo largo del patrón impreso con láser. A medida que el gel se seca, puede encogerse hasta 13 veces su tamaño original, lo que hace que la plata sea lo suficientemente densa como para formar un nanocable de plata y conducir electricidad, dijo Zhao. Debido a que los geles son tridimensionales, los patrones impresos también pueden serlo. Como demostración del uso de la técnica para el almacenamiento óptico encriptado, como la forma en que los CD y DVD se escriben y leen con un láser, el equipo diseñó y construyó una nanoestructura 3D de siete capas que decía “CIENCIA” después de que se descifrara ópticamente. Cada capa contenía un holograma de una letra de 200×200 píxeles. Después de encoger la muestra, toda la estructura aparece como un rectángulo translúcido bajo un microscopio óptico. Uno necesitaría la información correcta sobre cuánto expandir la muestra y dónde hacer brillar una luz para leer la información. “Según nuestro resultado, la técnica puede almacenar 5 petabits de información en un pequeño centímetro cúbico de espacio. Eso es aproximadamente 2,5 veces todas las bibliotecas de investigación académica de EE. UU. combinadas”. él dijo. Zhao dijo que en el futuro el objetivo de los investigadores es construir nanodispositivos funcionales con múltiples materiales. “Al final, nos gustaría usar la nueva tecnología para fabricar nanodispositivos funcionales, como nanocircuitos, nanobiosensores o incluso nanorobots para diferentes aplicaciones”, dijo Zhao. “Solo estamos limitados por nuestra imaginación”. Además de Zhao y Chen, los coautores del artículo de Science, “Nanofabricación 3D a través de patrones láser ultrarrápidos y ensamblaje de materiales regulados cinéticamente”, incluyen a Fei Han, Songyun Gu, Ni Zhao, todos de la Universidad China de Hong Kong y Aleks Klimas, de Carnegie Mellon.