1.png

Крошечные роботы, не превышающие по размерам живые клетки, могут быть серийно изготовлены с использованием нового метода, разработанного исследователями в MIT (Массачусетский технологический институт). Микроскопические устройства, которые команда называет «syncells» (синклетки, сокращение от синтетических клеток), могут в итоге использоваться для мониторинга условий внутри нефтепроводов и газопроводов, или для поиска болезни при путешествии через кровоток.

Ключом к созданию таких крошечных устройств в больших количествах является новый метод, названный «autoperforation» («автоперфорация») и разработанный исследователями для управления процессом естественного разрыва атомарно-тонких хрупких материалов, направляя линии разлома так, чтобы они создавали миниатюрные карманы с предсказуемыми размером и формой. Внутри этих карманов могут быть помещены электронные схемы и материалы, с помощью которых можно собирать, записывать и выводить данные.

В системе используется двумерная форма углерода, называемая графеном, которая образует внешнюю структуру крошечных синклеток. Один слой материала укладывается на поверхность, затем крошечные капли полимерного материала, содержащие электронику, осаждаются на графеновый слой сложной лабораторной версией струйного принтера. Затем сверху кладут второй слой графена.

Контролируемый разрыв

Люди думают о графене как о сверхтонком, но чрезвычайно крепком материале, но на самом деле он достаточно хрупкий, объясняет Мишель Страно, профессор и ведущий автор исследования в MIT. Но вместо того, чтобы считать эту хрупкость проблемой, команда Страно выяснила, что ее можно использовать в своих интересах.



«Мы обнаружили, что можно использовать хрупкость», — говорит Страно, — «это противоречит здравому смыслу. До этой работы, если бы вы сказали мне, что можете разрушить материал, дабы контролировать его форму в наномасштабе, я бы не поверил вам».

Но новый метод делает именно это. Он контролирует процесс разлома, так что вместо генерирования случайных осколков материала создаются куски одинаковой формы и размера. «Мы обнаружили, что вы можете наложить поле деформации, чтобы вызвать разлом, и можно использовать его для контролируемого изготовления одинаковых ячеек», — говорит Страно.

Когда верхний слой графена помещается поверх массива полимерных капель, которые образуют круглые формирования, места, где слои графена соприкасаются вокруг этих капель, образуют линии сильной деформации в материале. Как описывает Альберт Лю, ассистент профессора Страно: «представьте себе скатерть, медленно падающую на поверхность круглого стола. Можно очень легко визуализировать развивающиеся круговые складки у краев стола, и это очень похоже на то, что происходит, когда плоский лист графена деформируется вокруг этих полимерных круглых капелек».

В результате разрывы сосредоточены прямо по этим границам, говорит Страно. «И тогда происходит что-то довольно удивительное: графен полностью разрушается, а разлом будет проходить прямо по границам полимерных капель». В результате получается аккуратный круглый кусок графена, который выглядит так, будто его вырезали микроскопическим дыроколом.

Поскольку есть два слоя графена, выше и ниже полимерных капелек, два образовавшихся графеновых диска прилипают по краям, образуя что-то вроде крошечного кармана с полимером, запечатанным внутри. «И преимущество здесь состоит в том, что все производство, по сути, занимает один шаг», в отличие от сложных многоходовок в чистой комнаты, необходимых для других процессов по созданию микроскопических роботизированных устройств, говорит Страно.

Исследователи также показали, что другие двумерные материалы, такие как дисульфид молибдена и гексагональный борнитрид, тоже хорошо работают, но графен оказывается дешевле.

Клеточные роботы

Эти крошечные объекты имеют размеры около 10 микрометров (примерно в 10 раз больше красных кровяных телец человека), при этом выглядят и ведут себя почти как живые биологические клетки. «Фактически, под микроскопом вы, вероятно, сможете убедить большинство людей, что это настоящая клетка», — говорит Страно.


Синклетки под микроскопом.

Эта работа следует за более ранними исследованиями Страно и его студентов по разработке синклеток, которые могли собирать информацию о химических или других свойствах окружающей их среды с использованием датчиков на их поверхности, храня эту информацию для последующего извлечения. Например, можно впрыскивать рой таких наноботов в одном конце трубопровода и извлекать их на другом, чтобы получить данные об условиях внутри него. В то время как у новых синклеток еще нет таких возможностей, как у предыдущих, те были собраны индивидуально, тогда как эта работа демонстрирует способ легкого массового производства таких устройств.

По мнению Альберта Лю, помимо использования синклеток для промышленного или биомедицинского мониторинга, новый способ изготовления крошечных устройств сам по себе является инновацией с большим потенциалом. «Эта общая процедура использования контролируемого разрушения как способа производства может быть расширена на разные масштабы», — говорит он. «[Потенциально возможно использовать] любые 2D-материалы, что позволит будущим исследователям адаптировать эти атомически тонкие поверхности для любого масштаба или использовать их в любых областях науки».

Также, по словам Лю, это «единственный способ, доступный прямо сейчас для создания автономной интегрированной микроэлектроники в больших масштабах», которая может функционировать как независимые свободно плавающие устройства. В зависимости от типа электроники внутри устройства, они могут быть оснащены возможностями для перемещения, обнаружения различных химических веществ или других параметров, а также для хранения полученных данных.

В качестве демонстрации команда «написала» буквы M, I и T в массив памяти внутри синклетки, которая хранит информацию в материале с различными уровнями электропроводности. Затем эту информацию можно «прочитать» с помощью электрического зонда, показывая, что такая синклетка может функционировать как форма электронной памяти, данные в которую могут быть записаны, прочитаны и стерты по желанию. Она также может сохранять данные без необходимости в питании, позволяя извлечь информацию позднее. По словам Страно, исследователи продемонстрировали, что частицы стабильны в течение нескольких месяцев даже плавая в воде, что является жестким испытанием для электроники. «Я думаю, это открывает целый новый инструментарий для микро- и нанотехнологий», — говорит он.