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Yongxin (Leon) Zhao, da Universidade Carnegie Mellon, e Shih-Chi Chen, da Universidade Chinesa de Hong Kong, têm uma grande ideia para fabricar nanodispositivos.
O Laboratório de Biofotônica de Zhao desenvolve novas técnicas para estudar processos biológicos e patológicos em células e tecidos. Por meio de um processo chamado microscopia de expansão, o laboratório trabalha para desenvolver técnicas para ampliar proporcionalmente amostras microscópicas incorporadas em um hidrogel, permitindo que os pesquisadores visualizem detalhes finos sem atualizar seus microscópios.
Em 2019, uma conversa inspiradora com Shih-Chi Chen, que estava visitando a Carnegie Mellon como palestrante convidado e é professor do Departamento de Engenharia Mecânica e de Automação da Universidade Chinesa de Hong Kong, desencadeou uma colaboração entre os dois pesquisadores. Eles pensaram que poderiam usar seus conhecimentos combinados para encontrar novas soluções para o desafio de longa data da microfabricação: desenvolver maneiras de reduzir o tamanho de nanodispositivos imprimíveis para até 10 nanômetros ou vários átomos de espessura.
A solução deles é o oposto da microscopia de expansão: criar o padrão 3D de um material em hidrogel e encolhê-lo para resolução em nanoescala.
“Shih-Chi é conhecido por inventar o sistema ultrarrápido de litografia de dois fótons”, disse Zhao, professor associado de Ciências Biológicas do Eberly Family Career Development. “Nos conhecemos durante sua visita à Carnegie Mellon e decidimos combinar nossas técnicas e conhecimentos para perseguir essa ideia radical.”
Os resultados da colaboração abrem novas portas para projetar nanodispositivos sofisticados e são publicados na revista Ciência.
Enquanto as impressoras 3D em nanoescala convencionais focalizam um ponto de laser para processar materiais em série e levam muito tempo para concluir um projeto, a invenção de Chen altera a largura do pulso do laser para formar folhas de luz padronizadas, permitindo uma imagem inteira contendo centenas de milhares de pixels ( voxels) sejam impressos de uma só vez sem comprometer a resolução axial.
A técnica de fabricação é chamada de litografia de dois fótons de projeto de femtosegundo, ou FP-TPL. O método é até 1.000 vezes mais rápido do que as técnicas anteriores de nanoimpressão e pode levar a uma nanoimpressão econômica em larga escala para uso em biotecnologia, fotônica ou nanodispositivos.
Para o processo, os pesquisadores direcionariam o laser de dois fótons de femtosegundo para modificar a estrutura da rede e o tamanho dos poros do hidrogel, que então cria limites para materiais dispersíveis em água. O hidrogel seria então imerso em água contendo nanopartículas de metal, ligas, diamante, cristais moleculares, polímeros ou tinta de caneta-tinteiro.
“Por acaso fortuito, os nanomateriais que experimentamos foram todos atraídos automaticamente para o padrão impresso em hidrogel e montados lindamente”, disse Zhao. “À medida que o gel encolhe e desidrata, os materiais tornam-se ainda mais densos e se conectam uns aos outros.”
Por exemplo, se um hidrogel impresso for colocado em uma solução de nanopartículas de prata, as nanopartículas de prata se automontam no gel ao longo do padrão impresso a laser. À medida que o gel seca, ele pode encolher até 13 vezes seu tamanho original, tornando a prata densa o suficiente para formar um nanofio de prata e conduzir eletricidade, disse Zhao.
Como os géis são tridimensionais, os padrões impressos também podem ser.
Como uma demonstração do uso da técnica para armazenamento óptico criptografado – como CDs e DVDs são gravados e lidos com um laser – a equipe projetou e construiu uma nanoestrutura 3D de sete camadas que lê “CIÊNCIA” após ser descriptografada opticamente.
Cada camada continha um holograma de 200×200 pixels de uma letra. Depois de encolher a amostra, toda a estrutura aparece como um retângulo translúcido sob um microscópio óptico. Seria necessária a informação correta sobre o quanto expandir a amostra e onde iluminar para ler as informações.
“Com base em nosso resultado, a técnica pode armazenar 5 petabits de informação em um minúsculo centímetro cúbico de espaço. Isso é aproximadamente 2,5 vezes de todas as bibliotecas de pesquisa acadêmica dos EUA combinadas.” ele disse.
Zhao disse que no futuro o objetivo dos pesquisadores é construir nanodispositivos funcionais com múltiplos materiais.
“No final, gostaríamos de usar a nova tecnologia para fabricar nanodispositivos funcionais, como nanocircuitos, nanobiossensores ou mesmo nanorrobôs para diferentes aplicações”, disse Zhao. “Somos limitados apenas pela nossa imaginação.”
Além de Zhao e Chen, co-autores do Ciência paper, “3D Nanofabrication via Ultrafast Laser Patterning and Kinetically-regulated Material Assembly”, incluem Fei Han, Songyun Gu, Ni Zhao, todos da Universidade Chinesa de Hong Kong e Aleks Klimas, da Carnegie Mellon.
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