想象一下在像活细胞这样脆弱的物体上绘图——而不损坏它。密苏里大学的研究人员使用了一种意想不到的工具组合：冷冻乙醇、电子束和紫色微生物，取得了这一开创性的发现。通过改进一种叫做冰光刻的技术，该团队能够直接在脆弱的生物表面雕刻出极其小巧、细致的图案。
想象一下在像活细胞这样脆弱的物体上绘图——而不损坏它。密苏里大学的研究人员使用了一种意想不到的工具组合：冷冻乙醇、电子束和紫色微生物。
通过改进一种叫做冰光刻的技术，该团队能够直接在脆弱的生物表面雕刻出极其小巧、细致的图案。
虽然传统的光刻通常用于制造手机和电脑的小型电路及其他电子部件，但它依赖的液体过程很容易损坏脆弱的材料，包括碳纳米管和生物膜。
这就是密苏里的冰基方法的独特之处。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被认为太脆弱而无法操作的材料。
“我们的技术在制作图案的同时，使用薄薄一层冰来保护材料的表面，这样就不会像传统的光刻过程那样对脆弱的生物材料造成伤害，”物理学教授、研究共同作者加文·金说道。“那层冷冻冰在整个过程中帮助保持一切稳定，使我们能够处理那些通常会严重受损的脆弱生物材料。”
密苏里大学是世界上仅有的三家使用这种冰光刻方法的实验室之一，也是北美唯一的一家。该工作的独特之处在于使用了乙醇冰，能够保护脆弱的生物材料，而普通的水冰会造成损害。
为了测试他们新的乙醇冰基础方法，研究人员使用了Halobacterium salinarum，一种微小的微生物，它可以制造一种能够捕捉阳光并将其转化为能量的紫色蛋白——类似于自然界的太阳能电池板。自上世纪70年代以来，这种微生物在生物学中广为人知，其高效将光转化为能量的能力使其成为开发新型电源的有前景候选者。
虽然密苏里的发现只是一个概念验证，但团队对其未来潜力感到兴奋，包括使用这些脆弱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置在扫描电子显微镜内的冷表面上。温度降低到极低的水平，低于-150°C。然后，当他们添加乙醇蒸气时，它会瞬间冻结成乙醇冰，并在膜上形成一层薄而光滑的覆盖。
接下来，聚焦的电子束在冰层上绘制微小的图案。完成后，表面被轻轻加热。未被电子束击中的冰部分会升华，而图案——现在是一种固体材料——被留下。
“我们制作的图案宽度小于100纳米，厚度超过人类头发的1000倍，”研究的主要作者、研究生迪伦·基亚罗说道。“这是处理一些生物学最脆弱成分的重要一步。”
协作努力
密苏里大学艺术与科学学院的研究人员的这一发现将生物学、化学、物理学和空间科学结合在一起，可能改变科学家处理生命最小建筑块——分子、蛋白质和原子的方式。
物理学教授、研究共同作者苏奇·古哈帮助识别了最终材料的结构。使用一种高灵敏度工具来检查光与分子的相互作用，称为表面增强拉曼散射，她的实验室发现，固体材料的行为类似于碳纤维。
在过程完成后，紫色膜几乎没有变化——厚度仅损失了不到一个纳米。这证明研究人员可以使用该过程在脆弱的生物材料上直接创建图案而不损坏它们——这是一个令科学家困惑的挑战。
化学助理教授、研究共同作者伯纳黛特·布罗德里克帮助发现了在电子束过程中形成的短命化学物质酮烯的存在。金认为，以天体化学为专长的布罗德里克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——这是理解该方法背后的化学与物理学的关键步骤。
“每个实验室都为拼图贡献了不同的一部分，”金说道。“这种跨学科的团队合作才真正让这一发现成为可能。”
