“蟻人”不再是科幻！

文 李 杉

科學(xué)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(jí)英雄，靠一件“變身服”，人類就能在更微觀的世界里大干一場。

現(xiàn)在，類似的科幻想象，被MIT（麻省理工學(xué)院）變成了現(xiàn)實(shí)。

小小小，千分之一

但MIT的新研究，并不是靠一件神奇皮衣，而是采用更科學(xué)的方法，先造一個(gè)相對大的，然后再等比例縮小，直至納米級(jí)精度，最后通過3D打印帶到世間。

在剛剛披露的研究結(jié)果中，MIT科學(xué)家們將此技術(shù)稱為內(nèi)爆制造（Implosion Fabrication）。當(dāng)前，可以實(shí)現(xiàn)原始體積千分之一地縮小。不限材料，不限形狀，人類終于可以創(chuàng)造任何納米級(jí)精度的3D物體。而且，這種方法還適用于多種材料，比如金屬、量子點(diǎn)、DNA全都可以。

要知道，以前要用3D打印分層制造納米級(jí)結(jié)構(gòu)，僅限于平面結(jié)構(gòu)或者金字塔之類的簡單幾何形狀。

“通過這種方法，現(xiàn)在幾乎可以將任何材料變成納米級(jí)的3D形狀”，麻省理工大學(xué)神經(jīng)技術(shù)教授、生物工程與大腦和認(rèn)知科學(xué)副教授Edward Boyden說。

利用這項(xiàng)新技術(shù)，人類就可以使用激光塑造任意形狀和結(jié)構(gòu)的聚合物支架，把其他有用的材料附著到支架上之后，再將其收縮，由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)僅為原始體積的千分之一。

應(yīng)用前景也極具想象力。MIT科學(xué)家說，這種微小結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用于光學(xué)、醫(yī)學(xué)和機(jī)器人等領(lǐng)域。而且更令人興奮的是，該技術(shù)使用的設(shè)備已經(jīng)存在于許多生物學(xué)和材料學(xué)實(shí)驗(yàn)室，所以很多科學(xué)家都可以進(jìn)行嘗試。

這真是推開了一個(gè)新世界的大門！

你可以想象，假如我們能夠打造一個(gè)“腦蟲”大小的機(jī)器人，再加以AI等軟件能力，大腦世界和諸多腦疾病，可能就會(huì)被向前推進(jìn)一大步?；蛟S不用等到下一個(gè)世紀(jì)，我們?nèi)祟惥湍茉谔剿餍浅酱蠛５耐瑫r(shí)，也可以把原子量子世界看得清楚。還值得注意的是，這項(xiàng)研究的參與者中，就有腦科學(xué)和癌癥研究的科學(xué)家。

內(nèi)爆制造

那這項(xiàng)技術(shù)背后究竟是什么樣的原理？不妨看看MIT的庖丁解牛：按理說，打造一個(gè)很小的物體，最直接的方法是直接造。但目前用于創(chuàng)建納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)面臨很多局限。用光在表面上蝕刻圖案可以產(chǎn)生2D納米結(jié)構(gòu)，但不適用于3D結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^逐層添加來制造3D納米結(jié)構(gòu)，但是這個(gè)過程太過緩慢，而且頗具挑戰(zhàn)性。

不僅如此，雖然現(xiàn)存的方法可直接進(jìn)行納米級(jí)物體的3D打印，但僅限于聚合物和塑料等專用材料，因而缺乏很多具體應(yīng)用所需的功能特性。

此外，這也只能制作自支撐結(jié)構(gòu)。例如，該技術(shù)可以制作實(shí)心金字塔，但不能制作鏈條或空心球之類的物體。

麻省理工大學(xué)神經(jīng)技術(shù)教授、生物工程與大腦和認(rèn)知科學(xué)副教授Edward Boyden

為了突破這些限制，Boyden和他的學(xué)生決定采用他的實(shí)驗(yàn)室?guī)啄昵伴_發(fā)的腦組織高分辨率成像技術(shù)。這種被稱為擴(kuò)增顯微鏡的技術(shù)需要將組織嵌入水凝膠中然后使其膨脹，這樣就能使用常規(guī)顯微鏡進(jìn)行高分辨率成像。

生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的數(shù)百個(gè)研究小組現(xiàn)在都在使用擴(kuò)增顯微鏡，因?yàn)樗梢杂闷胀ㄓ布?shí)現(xiàn)細(xì)胞和組織的三維可視化。通過逆轉(zhuǎn)這一過程，研究人員發(fā)現(xiàn)他們可以制作大尺寸的物體，將其嵌入膨脹的水凝膠中，然后再縮小到納米級(jí)別，這種方法稱為“內(nèi)爆制造”。

與他們在擴(kuò)增顯微鏡領(lǐng)域采取的措施相似，研究者使用了一種吸水性很強(qiáng)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制成的。將支架浸泡在含有熒光素分子的溶液中，被激光激活后，熒光素分子就會(huì)附著在支架上。雙光子顯微鏡可以精確定位結(jié)構(gòu)深處的點(diǎn)，研究人員借助這種設(shè)備將熒光素分子附著到凝膠內(nèi)的特定位置。熒光素分子相當(dāng)于錨，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定到你想要的位置，之后便可將任何東西固定到錨上”，Boyden說，“它可能是一個(gè)量子點(diǎn)，可能是一個(gè)DNA片段，也可能是一個(gè)金納米粒子?！?/p>

這有點(diǎn)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。然后可以通過附加另一種材料，也就是銀，便可將潛像制作成真實(shí)影像。

通過這種方式，內(nèi)爆制造可以創(chuàng)造各種結(jié)構(gòu)，包括漸變形態(tài)、無連接結(jié)構(gòu)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(huì)通過添加酸來收縮整個(gè)結(jié)構(gòu)。酸阻斷聚丙烯酸酯凝膠中的負(fù)電荷，使它們不再相互排斥，導(dǎo)致凝膠收縮。

使用這種技術(shù)，研究人員可以將物體的每個(gè)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分辨率，還可以在低密度支架中組裝材料。這樣可以輕松進(jìn)行修改。之后，材料在收縮時(shí)，就會(huì)變成致密的固體。

“人們多年來一直在努力發(fā)明更好的設(shè)備來制造更小的納米材料，而我們意識(shí)到，如果你只是使用現(xiàn)有的系統(tǒng)并將你的材料嵌入到這種凝膠中，便可將它們縮小到納米級(jí)，但卻不會(huì)扭曲圖案”，研究者Rodriques介紹。

目前，研究人員可以創(chuàng)建體積大約為1立方毫米的物體，圖案分辨率為50納米。尺寸大小和分辨率之間，相互影響。如果研究人員想要制作大約1立方厘米的較大物體，便可達(dá)到約500納米的分辨率。不過他們也表示，分辨率還可以進(jìn)一步在過程中被改進(jìn)。

打開新世界

麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在探索這項(xiàng)技術(shù)的潛在應(yīng)用，他們預(yù)計(jì)一些最早的應(yīng)用可能來自光學(xué)領(lǐng)域——例如，可以制作用于研究光的基本屬性的專用鏡頭。

研究人員表示，這項(xiàng)技術(shù)還可以為手機(jī)攝像頭、顯微鏡或內(nèi)窺鏡等應(yīng)用制造更小、更好的鏡頭。他們也認(rèn)為，這種方法在更遠(yuǎn)的未來還可用于構(gòu)建納米級(jí)電子設(shè)備或機(jī)器人。

“你可以做各種各樣的事情”，Boyden說，“納米制造技術(shù)普及之后，就有可能開辟我們尚未想象的前沿領(lǐng)域?！?/p>

許多研究實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)擁有這種制造方法所需的設(shè)備。Boyden教授還解釋，現(xiàn)在就可以在許多生物實(shí)驗(yàn)室找到激光設(shè)備，能掃描圖案，然后沉積金屬、半導(dǎo)體或DNA，再將其收縮。有意思的是，他們還用這種技術(shù)制造了一幅超小型的愛麗絲漫游仙境版畫，方法依然是先制造、再縮小。

對于這項(xiàng)新技術(shù)，《科學(xué)》雜志也給出了評(píng)價(jià)，他們認(rèn)為，雖然現(xiàn)在通過增材制造技術(shù)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(nèi)打印各種材料，金屬、半導(dǎo)體都包含在內(nèi)。水凝膠脫水之后，它們就會(huì)縮小10倍，將特征尺寸推向了納米級(jí)。即便離“變大變小”的原子戰(zhàn)衣幻想還非常遙遠(yuǎn)，但人類又在微觀科學(xué)世界中，邁出了一大步。

漫威電影《蟻人》劇照

漫威電影《蟻人2》劇照