科學(xué)家跨界當(dāng)“文身師”，客戶竟是水熊蟲

說起文身，你一定記得抗金名將岳飛曾背刺“精忠報(bào)國”，以血墨銘志。在今年4月《自然》雜志評(píng)選的“最佳科學(xué)圖片”中，一位別具一格的“文身模特”驚艷亮相，那就是身長(zhǎng)僅0.5毫米的水熊蟲一一我所在的西湖大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)采用冰刻技術(shù)在其身上成功“文身”，創(chuàng)下了世界最小生物文身紀(jì)錄；科技與藝術(shù)在微觀世界碰撞出別樣的火花。

為什么要給水熊蟲文身？

楊治蓉：諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼（RichardFeynman）曾以詩意的遠(yuǎn)見構(gòu)想微觀世界：在針尖上鐫刻整部百科全書。如今，隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，這一設(shè)想已接近現(xiàn)實(shí)。

微納加工技術(shù)（即微米/納米加工技術(shù)），是指在微米（百萬分之一米）或納米（十億分之一米）尺度上對(duì)材料進(jìn)行制造、修飾與操控的先進(jìn)技術(shù)。它就像“微觀世界的雕刻術(shù)”使科學(xué)家能夠在比頭發(fā)絲細(xì)干倍甚至萬倍的尺度上進(jìn)行精密操作，是制造芯片、傳感器、生物醫(yī)療器械等高科技產(chǎn)品的核心手段。

蟲體長(zhǎng)一般不超過1毫米。想在這么小的生物上“文身”，恐怕唯有微納加工技術(shù)才能勝任。傳統(tǒng)微納加工技術(shù)對(duì)襯底平整度要求較高，而水熊蟲表面凹凸不平、結(jié)構(gòu)脆弱，更為溫和靈活的新型微納加工方式一一冰刻技術(shù)，成為解決這一難題的理想選擇。

挑戰(zhàn)生命極限，水熊蟲有多強(qiáng)？

楊治蓉：水熊蟲是地球上公認(rèn)的“極限生存大師”它有四對(duì)短腿，腿的末端帶有爪子、吸盤或腳趾，全身透明，進(jìn)食后可因所攝食物不同呈現(xiàn)棕黃、褐色或綠色等色彩。

別看它小小一只，卻擁有令人難以置信的生命韌性：能在接近絕對(duì)零度（-272℃）的極寒和高達(dá)150℃的酷熱中存活，能承受比人類致死劑量高上千倍的電離輻射，還能頂住超過深海6倍的極端壓力，甚至可以在太空的真空環(huán)境、強(qiáng)紫外和宇宙輻射中暴露10天后依然復(fù)蘇。

惡劣環(huán)境之中，水熊蟲會(huì)脫去水分讓身體“干癟”進(jìn)入幾乎完全停止代謝的“隱生”狀態(tài)。在這一狀態(tài)下，它可“沉睡”數(shù)年甚至數(shù)十年，一旦環(huán)境轉(zhuǎn)好，便可“滿血復(fù)活”。2019年，以色列一艘月球探測(cè)器墜毀時(shí)攜帶的水熊蟲，如今或許仍在月球表面“沉睡”待醒。

正因?yàn)樗芟x擁有極限生存能力，我們選擇在它的身上進(jìn)行“文身”實(shí)驗(yàn)。

水熊蟲個(gè)頭那么小，怎樣發(fā)現(xiàn)它的行蹤？

楊治蓉：捕捉水熊蟲需要先找到苔蘚。從深海熱泉到雪山之巔，從熱帶雨林到干旱沙漠，水熊蟲幾乎可以在地球上的各個(gè)角落生存，但它們最偏愛的棲息地是苔蘚類植物。

我們首先將采集到的苔蘚放入一個(gè)較大的培養(yǎng)血中，加入適量的泉水，靜置一整晚，使苔蘚得到充分浸泡，給水熊蟲足夠的時(shí)間從干燥狀態(tài)中“復(fù)蘇舒展身體，恢復(fù)活動(dòng)能力。

第二天，我們用鑷子輕輕夾起苔蘚，在水中抖動(dòng)，使隱藏在葉片中的水熊蟲掉進(jìn)水中。隨后移除大塊苔蘚、碎石和其他雜質(zhì)，在沉淀物中尋找水熊蟲的蹤跡。為了提高效率，我們會(huì)使用細(xì)篩網(wǎng)對(duì)樣品進(jìn)行過濾可水熊蟲太小了，肉眼根本看不到，怎么辦呢？此刻，體式顯微鏡隆重登場(chǎng)。

在顯微鏡下，我們耐心地慢慢調(diào)整焦距。那些緩慢爬行、外形圓滾的小生物，很可能就是水熊蟲。接著，我們用吸管小心地將水熊蟲吸出，轉(zhuǎn)移到清水中，這樣就可以仔細(xì)觀察、進(jìn)行培養(yǎng)啦！在吸取水熊蟲的過程中需要小心翼翼，盡管它能承受極端環(huán)境，但身體非常脆弱，我們稍有不慎或用力過猛就可能傷害到它。

與一般光學(xué)顯微鏡不同的是，體式顯微鏡在物鏡與樣品之間保留了較大的操作空間，方便我們?cè)谟^察的同時(shí)進(jìn)行操作。

采用冰刻技術(shù)為水熊蟲“文身”是怎樣進(jìn)行的？

楊治蓉：首先，我們通過干燥誘導(dǎo)水熊蟲進(jìn)入缺水狀態(tài)水熊蟲會(huì)主動(dòng)緩慢排出體內(nèi)水分，身體縮成緊湊的桶狀。

接著，“文身”開始！整個(gè)過程在一臺(tái)專門設(shè)計(jì)的冰刻系統(tǒng)中完成。

STEP1：將水熊蟲降溫至-143℃以下，并確保其整體溫度均勻穩(wěn)定。STEP2：在水熊蟲表面沉積一層極薄的無定型苯甲醚冰膜。這層冰膜既是保護(hù)層，也是加工介質(zhì)。

STEP3：選定“文身”區(qū)域，調(diào)出已在電腦中設(shè)計(jì)好的“文身”圖案。STEP4：使用電子束對(duì)冰膜進(jìn)行圖案化曝光。電子束照射后，受輻照的苯甲醚冰發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成一種在常溫下依然保持固態(tài)的結(jié)構(gòu)；未被曝光的部分則會(huì)在升溫過程中升華消失。通過升溫，我們便可在水熊蟲身體表面留下精細(xì)的圖案。

在以上過程中，我們可以通過調(diào)節(jié)冰膜厚度、電子束能量、束流強(qiáng)度和曝光劑量等關(guān)鍵參數(shù)，精確控制圖案的厚度、顏色甚至其機(jī)械強(qiáng)度。

從水熊蟲進(jìn)入“隱生”狀態(tài)，到冰膜覆蓋，再到電子束曝光，整個(gè)過程必須謹(jǐn)慎操作，盡量減少對(duì)水熊蟲的損傷。唯有如此，它才能在適宜的復(fù)蘇條件下緩緩舒展身體，身披我們刻下的納米級(jí)圖案完成“重生”。

納米文身的下一站在何方？

楊治蓉：這個(gè)看似微小的生命，正在悄然推動(dòng)人類突破納米技術(shù)的邊界

未來，隨著微納加工技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，科學(xué)家有望在生物體表面的特定區(qū)域構(gòu)建更為精細(xì)的圖案一一從納米級(jí)導(dǎo)電線路、傳感器陣列，到可編程的控制模塊，皆有可能實(shí)現(xiàn)

就像《阿凡達(dá)》中納美人與潘多拉星球之間的神經(jīng)鏈接，人類或許也將掌握納米級(jí)的“筆觸”，去觸碰、感知乃至改寫更微小而神秘的生命世界。