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Inventado novo método para encolher objetos à nanoescala

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Investigadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts inventaram uma forma de fabricar objetos 3D à nanoescala.

“É uma maneira de colocar praticamente qualquer tipo de material num padrão 3D à nanoescala”, diz Edward Boyden, professor associado de engenharia biológica e de ciências cerebrais e cognitivas no MIT, nos EUA. O investigador publicou o seu estudo na revista Science a 14 de dezembro.

Usando a nova técnica, os investigadores conseguem criar qualquer forma e estrutura que desejarem, ao modelarem um polímero com um laser. Depois de prender outros materiais úteis ao andaime, encolhem-no, gerando estruturas com um milésimo do volume da estrutura original.

Estas estruturas minúsculas podem vir a ter aplicações em muitos campos, da ótica à medicina e à robótica, dizem os investigadores. A técnica utiliza equipamentos que muitos laboratórios de biologia e ciência de materiais já possuem, tornando-a amplamente acessível para os cientistas que queiram experimentá-la.

Fabricação de implosão

As técnicas existentes para criar nanoestruturas são limitadas no que podem realizar. Os padrões de gravação numa superfície com luz podem produzir nanoestruturas 2D, mas não funcionam para estruturas tridimensionais.

É possível criar nanoestruturas tridimensionais adicionando gradualmente camadas umas sobre as outras, mas este processo é lento e desafiador. E, embora existam métodos que possam imprimir objetos em nanoescala diretamente em 3D, estão restritos a materiais especializados, como polímeros e plásticos, que não possuem as propriedades funcionais necessárias para muitas aplicações. Além disso, só podem gerar estruturas auto-sustentáveis.

Para superar estas limitações, Boyden adaptou uma técnica que o seu laboratório desenvolveu há alguns anos para imagens de alta resolução de tecido cerebral. Esta técnica, conhecida como microscopia de expansão, envolve a incorporação de tecido num hidrogel e, em seguida, expandi-lo, permitindo imagens de alta resolução com um microscópio regular.

Centenas de grupos de investigação em biologia e medicina usam atualmente a microscopia de expansão, pois permite a visualização em 3D de células e tecidos com hardware comum.

Ao reverter o processo, os investigadores perceberam que poderiam criar objetos com uma larga escala para depois os encolher à nanoescala, uma técnica que chamaram “fabricação de implosão”.

Os investigadores usaram um material muito absorvente feito de poliacrilato, geralmente encontrado em fraldas, como o andaime para o processo de nanofabricação. O andaime é banhado numa solução que contém moléculas de fluoresceína, que se ligam ao andaime quando são ativadas pela luz laser.

Usando microscopia de dois fotões, que permite a segmentação precisa de pontos dentro de uma estrutura, os cientistas anexaram moléculas de fluoresceína a locais específicos dentro do gel. As moléculas de fluoresceína atuam como âncoras que podem se ligar a outros tipos de moléculas que os investigadores adicionam.

Depois de as moléculas desejadas estarem anexadas nos locais certos, os investigadores encolhem toda a estrutura, ao adicionar um ácido. O ácido bloqueia as cargas negativas no gel de poliacrilato, causando a contração do gel.

Ao encolher, não só permite obter uma maior resolução, mas também possibilita a montagem de materiais num andaime de baixa densidade.

“As pessoas têm tentado inventar equipamentos melhores para fabricar nanomateriais menores durante anos, mas percebemos que, se se usar os sistemas existentes e incorporar os materiais neste gel, poderá reduzi-los à nanoescala, sem distorcer os padrões”, disse Samuel Rodriques, que também participou no estudo.

Atualmente, os investigadores podem criar objetos com cerca de um milímetro cúbico, com uma resolução de 50 nanómetros. Há uma troca entre tamanho e resolução: se os investigadores quiserem fazer objetos maiores, com cerca de um centímetro cúbico, podem alcançar uma resolução de cerca de 500 nanómetros. No entanto, esta resolução poderá ser melhorada no futuro.

Aplicações

A equipa do MIT está agora a explorar possíveis aplicações para esta tecnologia e antecipa que alguns dos primeiros aplicativos podem estar na ótica – por exemplo, na fabricação de lentes especializadas que poderiam ser usadas para estudar as propriedades fundamentais da luz.

Esta técnica também pode permitir a fabricação de lentes menores e melhores para aplicações como câmaras de telemóvel, microscópios ou endoscópios. Os investigadores dizem que esta abordagem poderia ser usada para construir robôs.

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