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刚柔结合出奇“材” |
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科学家巧用沾笔纳米光刻技术获得生物超材料 |
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沾笔纳米光刻工艺示意图
你或许没有想过将坚硬的金属或半导体与柔软的有机物或生物产品结合起来会是何种情景，不过美国科学家可以告诉你的是，他们获得了自然界从没有见过的混合材料，而这些混合材料在医学和制造业中将具有惊人的应用前景。
美国佛罗里达州立大学综合纳米研究所（INSI）的科学家完成了这项开创性的工作。在2010年4月出版的《自然—纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上，综合纳米科学研究所新成员、生物学家史蒂文·勒恩荷特作为主要作者，与同事们共同发表了相关的研究文章。
一类全新物质这样诞生
这篇题为《脂质多层光栅》的文章介绍了勒恩荷特本人过去在德国明斯特大学和卡尔斯鲁厄工学院时设计出的基于沾笔纳米光刻（Dip-Pen Nanolithography, 简写为DPN）的新工艺。沾笔纳米光刻是一种用锋利的笔状工具和“墨水”在固体物质表面上勾画纳米级图形的技术。勒恩荷特将沾笔纳米光刻经过改进，让它成为一种让柔性材料（作为墨水）与坚硬材料结合从而形成新材料的工艺。
实验中，研究人员通过自上而下及自下而上的制造方法，让多种柔性纳米级物质按需要以任意图案被“刻写”在预备好的结构物质表面，形成结构复杂的材料和器件。譬如，用该工艺对脂质材料进行操作，他们获得了易溶性光学衍射光栅。衍射光栅由多层脂质组成，高度被控制在5纳米至100纳米之间。
勒恩荷特说，将柔性材料与硬性材料结合，他们获得了从本质上讲可以说是全新的一类物质，事实上它们就是学术界所称的生物超材料（biometamaterial ），它们并不存在于自然界中。这类材料的行为如同生物传感器，通过将敏感生物元素和物理器件结合起来，能现场检测生物制剂的存在与否。
新材料应用范围广阔
科学家表示，用生物纳米技术和沾笔纳米光刻技术制造的新材料，不仅能用于医学诊断，而且可用于需要材料的任何领域，从人体组织工程到药物开发以及计算机芯片制造。
目前最有可能实现的是新材料在医学诊断领域的应用，科学家设想利用新材料生产出便于携带、价格便宜和用后可丢弃的芯片，并将其安装在手机中用于医学诊断。当前的诊断工作需要人们前去医院看医生并将样品交给化验室进行检验。未来的诊断芯片作为人们常说的“芯片实验室”，能够就地快速地分析血样或尿样，这类同于家用怀孕检测法。不过，科学家同时表示，其他种类的检测仍需要先进的化验室或实验室。
跨学科团队的协同创新
今年32岁的勒恩荷特出生在美国盐湖城，2004年在德国明斯特大学获得博士学位。在加入佛罗里达州立大学前，他一直是德国纳米科学研究小组的带头人。在2009年一次会议上，他无意中看到了佛罗里达州立大学散发的有关综合纳米科学研究所的宣传单，其上的内容深深地打动了他，并促使他接受佛罗里达州立大学的聘请，回国进入该大学的综合纳米科学研究所。
综合纳米科学研究所集中了大学多个系不同学科的优秀人才，他们从事的领域包括细胞和分子生物学、化学和生物化学、材料科学、化学工程和生物医学工程，以及物理学。这种跨学科人才的氛围让勒恩荷特感到振奋并印象深刻。目前他与研究所的其他科学家合作从事着尖端科学技术的研究。
勒恩荷特说：“我有幸在攻读研究生时有机会游学于不同的院系和学科，其中包括生物系、医学系、化学系和物理系。我觉得解决特殊问题的途径也许就在不远处。综合纳米科学研究所基于跨学科团队协同工作的原则，这是我喜欢它的原因。”
勒恩荷特在生物纳米技术和沾笔纳米光刻技术领域所做的开创性研究工作受到全球同行的认可。大学教授布莱恩特·切斯认为，勒恩荷特并非属于传统的生物学家，他是在今天从事未来的生物学研究。他在纳米技术和生物学领域接受的训练帮助他采用以前无法完成的新奇实验，来解答生物学的问题。他正在设计的新工具在科学和医学领域具有前所未有的应用前景。
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