酷科学:研究人员使用冷冻乙醇制作微型生物工具
想象一下,在像活细胞这样脆弱的东西上画画 - 而不会损坏它。 密苏里大学的研究人员使用一种意想不到的工具组合取得了这一开创性的发现:冷冻乙醇、电子束和紫色微生物。 通过推进一种称为冰光刻的方法,该团队能够将极其微小、细节丰富的图案直接蚀刻到脆弱的生物表面上。 虽然传统光刻通常用于制造微小的电路和其他用于手机和电脑的电子部件,它依赖于液体过程,很容易损坏精密材料,包括碳纳米管和生物膜。 :这就是 Mizzou 基于冰的方法脱颖而出的地方。 通过使用一层冷冻乙醇而不是液体,他们创造了一种更温和、更精确的方式来处理曾经被认为太脆弱而无法处理的材料。 “而不是使用传统的光刻工艺,这可能对脆弱的生物材料,我们的技术在制作图案时应用了一层薄薄的冰来保护材料的表面,“物理学教授、该研究的合著者加文·金 (Gavin King) 说。 “该冻结层有助于在此过程中保持一切稳定,并使我们能够处理通常会受到严重损坏的精致生物材料。” Mizzou 拥有世界上仅有的三个实验室之一,也是北美唯一一个使用这种冰光刻方法的实验室。 设置工作之外是使用乙醇冰,乙醇冰可以保护普通水冰会造成损坏的脆弱生物材料。 为了测试他们基于乙醇冰的新方法,研究人员使用了盐酸盐杆菌,这是一种微小的微生物,可以制造出能够捕获阳光并将其转化为能量的紫色蛋白质——类似于自然界的太阳能电池板。 自 1970 年代以来,这种微生物在生物学中广为人知,它能够有效地将光转化为能量,使其成为一种很有前途的开发新型电源的候选者。 虽然 Mizzou 的发现是概念验证,但该团队对其未来的潜力感到兴奋,包括使用这些精致的紫色膜制造太阳能电池板的可能性。 工作原理 以下是冰光刻方法的工作原理。 首先,研究人员将生物膜放在扫描电子显微镜内的冷表面上。 温度降低到极冷的水平,低于 -150°C。 然后当他们添加乙醇蒸气时,它会立即冻结成乙醇冰,并在膜上形成一层薄而光滑的层。 接下来,聚焦的电子束在冻结层中绘制微小的图案。 完成后,轻轻加热表面。 冰上未被光束击中的部分被升华掉,而图案——现在是一种固体材料——被留下来。 “我们正在制作的模型宽度小于 100 纳米,比一根人类的头发,“研究生兼该研究的主要作者 Dylan Chiaro 说。 “这是朝着处理生物学中一些最精细的成分迈出的重要一步。” 一项合作努力 Mizzou 艺术与科学学院研究人员的这一发现汇集了生物学、化学、物理学和空间科学领域,可能会改变科学家处理生命中最微小组成部分(分子、蛋白质和原子)的方式。 Suchi Guha,教授物理学和研究的合著者帮助确定了所得材料的结构。 她的实验室使用一种高灵敏度工具(称为表面增强拉曼散射)来检查光如何与分子相互作用,发现这种固体材料的行为与碳纤维相似。 该过程完成后,紫色膜几乎没有变化——厚度仅损失了不到 1 纳米。 这证明研究人员可以使用这个过程直接在脆弱的生物材料而不损坏它们 -- 这是一个困扰科学家的挑战。 化学助理教授兼研究合著者 Bernadette Broderick 帮助发现了乙烯酮的存在,乙烯酮是一种在电子束过程中形成的短寿命化学物质。 King 认为,专门研究天体化学的 Broderick 实验室的这一发现可以帮助解释乙醇冰如何转化为稳定的固体材料——这是理解方法背后的化学和物理。 “每个实验室都贡献了不同的拼图,”King 说。 “这种跨学科的团队合作是真正使这一发现成为可能的原因。”