Сжимающиеся гидрогели расширяют возможности нанопроизводства

Исследователи из США и Китая разработали новый метод для создания наноматериалов и наноустройств. Они предлагают печатать трехмерный рисунок материала в гидрогеле и уменьшать его до наноразмера с помощью сверхбыстрой двухфотонной литографии, передает EurekAlert!. Подробно разработка описана в журнале Science. 

Технология, которую использовали ученые, называется двухфотонной лазерной литографией. Благодаря фемтосекундному лазеру этот метод работает до 1000 раз быстрее, чем предыдущие методы нанопечати. 

Лазер направляют на гидрогель, чтобы изменить сетчатую структуру и размер пор гидрогеля. Так получается рисунок для диспергируемых в воде материалов. Поскольку гели объемные, печатные узоры также могут быть трехмерными. Затем гидрогель погружают в воду, содержащую наночастицы металлов, сплавов, алмазов, молекулярных кристаллов, полимеров или чернил перьевой ручки.

«По счастливой случайности все наноматериалы, которые мы пробовали, автоматически притягивались к печатному рисунку в гидрогеле и прекрасно собирались», — сказал Леон Чжао из Университета Карнеги — Меллон. 

Далее гель высыхает и сжимается — частички материала становится ближе друг к другу и соединяются. Так материал становится еще более плотными. Например, если печатный гидрогель поместить в раствор наночастиц серебра, наночастицы самособерутся в гель вдоль рисунка, напечатанного лазером. Высохший гель может уменьшиться максимум в 13 раз. В таком случае серебро превращается в наносеребряную проволоку, которая проводит электричество.

Ученые протестировали эту технику, создав с ее помощью зашифрованное оптическое хранилище (как диски CD и DVD записываются и читаются с помощью лазера) – семислойную трехмерную наноструктуру, которая после оптической расшифровки читается как «science» (с английского — «наука»). 

В каждом слое – голограмма буквы размером 200x200 пикселей. После сжатия образца вся структура выглядит как полупрозрачный прямоугольник под оптическим микроскопом. Нужно правильно направить свет, чтобы прочитать зашифрованное слово.

Как показали результаты, этот метод может упаковать информацию объемом в пять петабит (один петабит – больше 130 тысяч гигабайт) в крошечном кубическом сантиметре пространства. «Это примерно в 2,5 раза больше всех академических исследовательских библиотек США вместе взятых», — отмечают авторы работы.

Новую технологию потенциально можно будет использовать для производства функциональных наноустройств, таких как наносхемы, нанобиосенсоры или даже нанороботы. В будущем исследователи планируют создать функциональные наноустройства из нескольких материалов.

[Фото: CARNEGIE MELLON UNIVERSITY]