麻省理工学院的研究人员发明了一种几乎可以制造任意形状纳米级三维物体的方法。他们还可以用多种有用材料对这些物体进行图案化处理，包括金属、量子点和DNA。
“这是一种以纳米级精度将几乎任何类型材料置于三维图案中的方法，”麻省理工学院神经技术Y. Eva Tan教授、生物工程与脑与认知科学副教授爱德华·博伊登（Edward Boyden）说。
利用这项新技术，研究人员可以通过用激光对聚合物支架进行图案化处理，创造出任何想要的形状和结构。在将其他有用材料附着到支架上后，他们将其缩小，生成体积为原物千分之一的结构。
研究人员表示，这些微小结构可在从光学到医学再到机器人等诸多领域得到应用。该技术所需设备许多生物学和材料科学实验室已经具备，因此想要尝试的研究人员可以广泛获取。
博伊登同时也是麻省理工学院媒体实验室、麦戈文脑研究所和科赫综合癌症研究所的成员，他是该论文的资深作者之一。该论文刊载于12月13日出版的《Science》期刊。另一位资深作者是媒体实验室研究附属人员亚当·马布尔斯通（Adam Marblestone），论文的主要作者为研究生丹尼尔·奥兰（Daniel Oran）和塞缪尔·罗德里格斯（Samuel Rodriques）。
内爆式制造
现有的纳米结构制造技术在能力上存在局限。用光在表面刻蚀图案可以制造二维纳米结构，但无法用于三维结构。通过逐层叠加可以制造三维纳米结构，但这一过程缓慢且难度大。此外，虽然已有方法可以直接三维打印纳米级物体，但它们局限于聚合物和塑料等特定材料，而这些材料缺乏许多应用所需的功能特性。而且，这些方法只能生成可自撑的结构。（例如，该技术可以制造实心金字塔，但无法制造相互连接的链条或空心球体。）
为克服这些局限，博伊登及其学生决定改造其实验室几年前为脑组织高分辨率成像而开发的一项技术。该技术被称为扩展显微术，其方法是将组织包埋于水凝胶中并使其膨胀，从而借助普通显微镜实现高分辨率成像。如今，数百个生物学和医学研究团队正在使用扩展显微术，因为它能够借助普通硬件实现细胞和组织的三维可视化。
研究人员通过逆转这一过程发现，他们可以在膨胀的水凝胶中包埋大尺度物体，然后将其缩小至纳米尺度。研究人员将这一方法称为“内爆式制造”。
与扩展显微术一样，研究人员使用一种由聚丙烯酸酯制成的高吸水性材料作为纳米制造过程的支架，这种材料常见于纸尿裤中。支架浸泡在含有荧光素分子的溶液中，荧光素分子在被激光激活时会附着于支架上。
研究人员使用双光子显微术，该技术能够精确定位结构深处的点，将荧光素分子附着于凝胶中的特定位置。荧光素分子充当锚点，可与研究人员随后添加的其他类型分子结合。
“你可以用光在需要的地方附着锚点，之后再将任何你想要的物质附着到这些锚点上，”博伊登说，“可以是量子点，可以是一段DNA，也可以是金纳米颗粒。”
“这有点像胶片摄影：通过将凝胶中的敏感材料曝光于光线下形成潜影。随后，你可以通过再附着另一种材料——银，将潜影显影为真实图像。这样，内爆式制造就能制造出各种结构，包括梯度结构、不相连结构和多材料图案，”奥兰说。
待所需分子在正确位置附着后，研究人员通过加入酸使整个结构缩小。酸会中和聚丙烯酸酯凝胶中的负电荷，使它们不再相互排斥，从而使凝胶收缩。利用这项技术，研究人员可以使物体在每个维度上缩小10倍（体积总计缩小1000倍）。这种缩小能力不仅可以提高分辨率，还能使材料组装在低密度支架中成为可能。这便于进行修改，之后材料在收缩后会变为致密固体。
“多年来，人们一直在努力发明更好的设备来制造更小的纳米材料，但我们意识到，只要使用现有系统并将材料包埋于这种凝胶中，就可以将它们缩小至纳米尺度，且不会使图案变形，”罗德里格斯说。
目前，研究人员可以制造体积约为1立方毫米的物体，图案分辨率为50纳米。尺寸与分辨率之间存在权衡：如果研究人员想制造较大的物体，约1立方厘米，则可实现约500纳米的分辨率。不过，研究人员表示，随着工艺的进一步完善，该分辨率还有提升空间。
更好的光学器件
麻省理工学院团队目前正在探索该技术的潜在应用，并预计最早的应用可能出现在光学领域，例如制造可用于研究光的基本特性的专用透镜。研究人员表示，该技术还可能用于制造更小、更好的透镜，应用于手机摄像头、显微镜或内窥镜等。研究人员表示，更远的未来，这一方法可用于构建纳米级电子器件或机器人。
“你可以用它做各种各样的事情，”博伊登说，“纳米制造的普及可能会开启我们目前无法想象的前沿领域。”
许多研究实验室已经配备了此类制造所需的设备。“借助许多生物学实验室中已有的激光器，你可以扫描图案，然后沉积金属、半导体或DNA，再将其缩小，”博伊登说。
