MITの研究者らは、ほぼあらゆる形状のナノスケール3次元物体を作製する方法を考案した。さらに、金属、量子ドット、DNAなど、さまざまな有用な材料で物体にパターンを形成することもできる。
「ほぼあらゆる種類の材料を、ナノスケールの精度で3次元パターンに配置する方法です」と、MITで神経技術の Y. Eva Tan 教授を務め、生物工学ならびに脳・認知科学の准教授でもあるEdward Boyden氏は述べている。
この新技術を用いると、研究者らは、レーザーでポリマー製の足場にパターンを形成することで、任意の形状や構造を作り出すことができる。足場に他の有用な材料を付着させた後、縮小することで、元の体積の千分の一の構造を生成する。
研究者らによると、これらの微小構造は、光学から医療、ロボティクスに至るまで、多くの分野で応用できる可能性がある。この技術は、生物学や材料科学の多くの研究室に既にある機器を使用するため、試してみたい研究者にとって幅広く利用しやすい。
Boyden氏は、MITメディアラボ、マクガバン脳研究所、コッホ総合がん研究所の会員も務めており、本論文の上級著者の一人である。本論文は、『Science』12月13日号に掲載された。Science。もう一人の上級著者は、メディアラボの研究協力者であるAdam Marblestone氏で、論文の筆頭著者は大学院生のDaniel Oran氏とSamuel Rodriques氏である。
インプロージョン製造法
ナノ構造を作製する既存の技術には、できることに限界がある。光を用いて表面にパターンをエッチングすると2次元のナノ構造を作れるが、3次元構造には対応できない。層を少しずつ積み重ねて3次元ナノ構造を作ることは可能だが、この工程は遅く、困難である。また、ナノスケール物体を直接3次元印刷する方法も存在するが、それらはポリマーやプラスチックなどの特殊な材料に限られ、多くの用途に必要な機能特性を欠いている。さらに、これらの方法で作製できるのは自立構造のみである。（この技術では、例えば中実のピラミッドは作れても、連結した鎖や中空の球体は作れない。）
これらの限界を克服するため、Boyden氏と学生たちは、数年前に研究室が脳組織の高解像度イメージング用に開発した技術を応用することにした。この技術は「膨張顕微鏡法」として知られ、膨張顕微鏡法であり、組織をヒドロゲルに包埋してから膨張させることで、通常の顕微鏡で高解像度のイメージングを可能にするものである。膨張顕微鏡法は、ごく一般的な機器で細胞や組織の3次元可視化を可能にするため、現在では生物学や医学の数百の研究グループがこれを利用している。
この工程を逆にすることで、研究者らは、膨張させたヒドロゲルに包埋された大規模な物体を作り、それをナノスケールまで縮小できることを見出した。研究者らはこのアプローチを「インプロージョン製造法」と呼んでいる。
膨張顕微鏡法と同様に、研究者らは、紙おむつによく使われる、非常に吸水性の高いポリアクリレート製の材料を、ナノ製造工程の足場として用いた。足場は、レーザー光によって活性化されると足場に結合するフルオレセイン分子を含む溶液に浸される。
2光子顕微鏡法を用いると、構造内部の深部の点を正確に標的化できる。研究者らは、この方法でゲル内の特定の位置にフルオレセイン分子を結合させる。フルオレセイン分子は、研究者らが加える他の種類の分子と結合できるアンカーとして機能する。
「光で望む場所にアンカーを付け、その後、アンカーに好きなものを付けることができます」とBoyden氏は述べる。「量子ドットでも、DNAの断片でも、金ナノ粒子でもかまいません。」
「フィルム写真に少し似ています。感光性材料をゲル中で光にさらすと潜像が形成されます。その後、銀という別の材料を付着させることで、潜像を実像に現像できます。このようにして、インプロージョン製造法では、傾斜構造、非連結構造、多材料パターンを含む、あらゆる種類の構造を作ることができます」とOran氏は述べる。
目的の分子が適切な位置に結合したら、研究者らは酸を加えて構造全体を縮小させる。酸はポリアクリレートゲル内の負電荷を遮断するため、負電荷同士が反発し合わなくなり、ゲルが収縮する。この技術を用いると、研究者らは物体を各次元で10分の1に縮小できる（体積では全体として1,000分の1の縮小となる）。この縮小能力は、解像度を高めるだけでなく、低密度の足場に材料を組み立てることも可能にする。これにより、改変のために容易にアクセスでき、その後、縮小されると材料は緻密な固体になる。
「何年も前から、より小さなナノ材料を作るためのより優れた装置の開発が試みられてきましたが、既存のシステムを使い、材料をこのゲルに包埋すれば、パターンを歪めることなく、ナノスケールまで縮小できることに気づきました」とRodriques氏は述べる。
現在、研究者らは、約1立方ミリメートルの物体を、50ナノメートルの解像度でパターン形成して作製できる。サイズと解像度の間にはトレードオフがある。より大きな物体、約1立方センチメートルの物体を作製しようとする場合、約500ナノメートルの解像度を達成できる。ただし、研究者らによると、この工程をさらに改良すれば、その解像度は向上する可能性がある。
より優れた光学
MITのチームは現在、この技術の潜在的な応用を探っており、最も早い応用は光学分野になるだろうと予測している。例えば、光の基本的特性を研究するために用いることのできる特殊なレンズの製作などである。研究者らによると、この技術は、携帯電話のカメラ、顕微鏡、内視鏡などの用途向けに、より小型で高性能なレンズを製作することも可能にするかもしれない。さらに将来的には、このアプローチを用いてナノスケールの電子機器やロボットを作製できる可能性があるという。
「これを使ってできることは、さまざまにあります」とBoyden氏は述べる。「ナノ製造を民主化すれば、私たちがまだ想像もできないような新たな領域が開かれるかもしれません。」
この種の製造に必要な装置は、既に多くの研究室に揃っている。「多くの生物学研究室にすでにあるレーザーで、パターンを走査し、金属、半導体、またはDNAを堆積させ、その後縮小することができます」とBoyden氏は述べる。
