Investigadores del MIT han inventado una forma de fabricar objetos tridimensionales a nanoescala de casi cualquier forma. También pueden aplicar patrones de diversos materiales útiles a los objetos, como metales, puntos cuánticos y ADN.
«Es una forma de colocar casi cualquier tipo de material en un patrón tridimensional con precisión a nanoescala», afirma Edward Boyden, titular de la cátedra Y. Eva Tan de Neurotecnología y profesor asociado de ingeniería biológica y de ciencias cognitivas y del cerebro del MIT.
Con la nueva técnica, los investigadores pueden crear cualquier forma y estructura que deseen mediante la aplicación de patrones con láser a un andamiaje de polímero. Tras fijar otros materiales útiles al andamiaje, lo encogen y generan estructuras con una milésima parte del volumen original.
Según los investigadores, estas diminutas estructuras podrían tener aplicaciones en muchos campos, desde la óptica hasta la medicina y la robótica. La técnica utiliza equipos que ya tienen muchos laboratorios de biología y ciencia de materiales, por lo que está ampliamente al alcance de quienes quieran probarla.
Boyden, quien también es miembro del Media Lab del MIT, del Instituto McGovern para la Investigación del Cerebro y del Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer, es uno de los autores principales del artículo, que aparece en el número del 13 de diciembre de Science. El otro autor principal es Adam Marblestone, investigador afiliado al Media Lab; los autores principales del artículo son los estudiantes de posgrado Daniel Oran y Samuel Rodriques.
Fabricación por implosión
Las técnicas existentes para crear nanoestructuras tienen capacidades limitadas. El grabado de patrones en una superficie mediante luz puede producir nanoestructuras bidimensionales, pero no sirve para crear estructuras tridimensionales. Es posible fabricar nanoestructuras tridimensionales añadiendo capas gradualmente unas sobre otras, pero el proceso es lento y complejo. Además, aunque existen métodos para imprimir directamente en 3D objetos a nanoescala, estos se limitan a materiales especializados, como polímeros y plásticos, que carecen de las propiedades funcionales necesarias para muchas aplicaciones. Asimismo, solo pueden generar estructuras autoportantes. (La técnica puede producir, por ejemplo, una pirámide maciza, pero no una cadena enlazada ni una esfera hueca).
Para superar estas limitaciones, Boyden y sus estudiantes decidieron adaptar una técnica que su laboratorio desarrolló hace unos años para obtener imágenes de alta resolución del tejido cerebral. Esta técnica, conocida como microscopía de expansión, consiste en incrustar tejido en un hidrogel y luego expandirlo, lo que permite obtener imágenes de alta resolución con un microscopio convencional. Actualmente, cientos de grupos de investigación en biología y medicina utilizan la microscopía de expansión, ya que permite visualizar células y tejidos en 3D con equipos corrientes.
Al invertir este proceso, los investigadores descubrieron que podían crear objetos de gran tamaño incrustados en hidrogeles expandidos y luego reducirlos a nanoescala; a este método lo llaman «fabricación por implosión».
Al igual que en la microscopía de expansión, los investigadores utilizaron como andamiaje para su proceso de nanofabricación un material muy absorbente hecho de poliacrilato, que suele encontrarse en los pañales. El andamiaje se sumerge en una solución que contiene moléculas de fluoresceína, las cuales se adhieren a él cuando se activan con luz láser.
Mediante microscopía de dos fotones, que permite dirigir con precisión la atención a puntos en el interior de una estructura, los investigadores fijan moléculas de fluoresceína en lugares específicos del gel. Estas moléculas actúan como anclajes que pueden unirse a otros tipos de moléculas que añaden los investigadores.
«Con la luz, colocas los anclajes donde quieras y luego puedes fijarles lo que quieras», afirma Boyden. «Puede ser un punto cuántico, un fragmento de ADN o una nanopartícula de oro».
«Se parece un poco a la fotografía con película: al exponer a la luz un material fotosensible dentro de un gel, se forma una imagen latente. Después, puedes revelar esa imagen latente y convertirla en una imagen real fijando otro material, la plata. De este modo, la fabricación por implosión puede crear todo tipo de estructuras, incluidos gradientes, estructuras no conectadas y patrones multimateriales», afirma Oran.
Una vez fijadas las moléculas deseadas en los lugares adecuados, los investigadores encogen toda la estructura añadiendo un ácido. El ácido neutraliza las cargas negativas del gel de poliacrilato, de modo que dejan de repelerse entre sí y el gel se contrae. Con esta técnica, los investigadores pueden reducir los objetos diez veces en cada dimensión (lo que supone una reducción total de 1.000 veces en volumen). Esta capacidad de reducción no solo permite aumentar la resolución, sino que también hace posible ensamblar materiales en un andamiaje de baja densidad. Esto facilita el acceso para modificarlos y, después, el material se convierte en un sólido denso al encogerse.
«Durante años, la gente ha intentado inventar mejores equipos para fabricar nanomateriales más pequeños, pero nos dimos cuenta de que basta con usar los sistemas existentes e incrustar los materiales en este gel para reducirlos a nanoescala sin distorsionar los patrones», afirma Rodriques.
Actualmente, los investigadores pueden crear objetos de alrededor de 1 milímetro cúbico con patrones de una resolución de 50 nanómetros. Existe un compromiso entre tamaño y resolución: si quieren fabricar objetos más grandes, de aproximadamente 1 centímetro cúbico, pueden lograr una resolución de unos 500 nanómetros. Sin embargo, según los investigadores, podrían mejorar esa resolución perfeccionando aún más el proceso.
Mejores sistemas ópticos
El equipo del MIT está explorando posibles aplicaciones de esta tecnología y prevé que algunas de las primeras podrían darse en la óptica; por ejemplo, en la fabricación de lentes especializadas que sirvan para estudiar las propiedades fundamentales de la luz. Según los investigadores, esta técnica también podría permitir fabricar lentes más pequeñas y mejores para aplicaciones como las cámaras de teléfonos móviles, los microscopios o los endoscopios. A más largo plazo, afirman que este método podría utilizarse para construir componentes electrónicos o robots a nanoescala.
«Hay todo tipo de cosas que se pueden hacer con esto», afirma Boyden. «Democratizar la nanofabricación podría abrir fronteras que todavía no somos capaces de imaginar».
Muchos laboratorios de investigación ya cuentan con el equipo necesario para este tipo de fabricación. «Con un láser que ya se encuentra en muchos laboratorios de biología, se puede escanear un patrón, depositar metales, semiconductores o ADN y luego reducirlo», afirma Boyden.
