微纳金属3d打印设备技术应用:AFM探针?

7月27日消息,纽约大学阿布扎比分校高级微流体和微设备实验室 (AMMLab) 的一组研究人员开发了一种新型原子力显微镜 (AFM) 探针,它们具有真正的三维形状,他们称之为 3DTIP。

AFM 技术使科学家能够以前所未有的精度观察、测量和操作样品,甚至可以应用于微米和纳米级实体。另外,使用单步 3D 打印工艺制造的新 3DTIP 应用领域比硅基探针更广泛。

图片来源:CC0 公共领域

原子力显微镜 (AFM) 是一种通过在表面上扫描物理探针来表征样品的技术,产生令人印象深刻的分辨率,比光学显微镜所能达到的分辨率高 1,000 倍。AFM 是包括生物医学科学在内的许多学科的基本仪器,其应用范围从表征活细菌和哺乳动物细胞、分析 DNA 分子、实时研究蛋白质以及对分子成像直至亚原子分辨率。

AFM探针由一个末端带有微型尖端的微型悬臂梁组成,是该技术的核心。它通过吸引力和排斥力来感知和感受样品表面,就像我们使用指尖一样,但分辨率低至原子水平。商用 AFM 探针由硅制成,使用微电子行业中典型的传统半导体制造工艺,受到二维设计和冗长的生产步骤的限制。这些当前最先进的探头是刚性的、易碎的,并且只能以某些形状提供。它们不适合探测哺乳动物细胞等软物质。

在发表在Advanced Science杂志上的论文中,研究人员展示了他们用于生产基于双光子聚合 3D 打印的下一代 AFM 探针的专有技术。由此产生的 3DTIP 比基于硅的对应物更柔软,这使得它们更适合 AFM 应用,这些应用涉及与细胞、蛋白质和 DNA 分子的更温和的相互作用。重要的是,3DTIP 的材料特性使其能够实现比类似尺寸的普通硅探针快 100 倍以上的扫描速度。因此,3DTIP 可能会为获取实时捕获蛋白质、DNA 甚至更小分子的生物活性的视频打开大门。

“我们为下一代 AFM 探针开发了一种新技术,采用新材料、改进的设计和生产工艺、新颖的 3D 形状和定制原型,以实现以应用为中心的 AFM 探针的无缝生产周期,”该项目的负责人,纽约大学机械工程和生物工程副教授 Mohammad Qasaimeh 说:“只需一步即可生成具有创新 3D 设计的定制 AFM 探针,这提供了无限的多学科研究机会。”

“我们的 3DTIP 能够使用常见的 AFM 模式以及在空气和液体环境下获得高分辨率、高速 AFM 成像,”该研究的第一作者 AMMLab 和博士后助理 Ayoub Glia 说:“通过聚焦离子束蚀刻和碳纳米管内含物对 3DTIP 的尖端进行精炼,大大扩展了它们在高分辨率 AFM 成像中的功能,达到埃级。”

该研究的作者希望 3DTIP 的多功能功能可以将下一代 AFM 尖端带入常规和高级 AFM 应用,并扩大高速 AFM 成像和生物力测量的领域。

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伦敦大学学院(UCL)、清华大学和北京大学的博士生们采用玩具和技术,在北京研发了全球首台低成本(AFM)。

于1989年首次商用,属于高精度的扫描探针显微镜。它们都能够看到一毫米的万分之一 ,能观察的物体远远小于任何一台光学显微镜。商用AFM通常售价10万美元或者更多,但新设计的低成本版本,生产成本不到500美元。

最近的LEGO2NANO活动,要求参加第三届中英暑期学校的学生们和经验丰富的创客、科学家在一个星期内开发出新型的低成本扫描探针显微镜。

该团队使用的零件主要是积木、的零件和从市场购买的电子元件。AFM被固定于一块金属板上,外壳和隔板则用乐高积木。3D打印元件支架和扫描台,确保尺寸适合。

最昂贵的部分是压电致动器,几乎占了总成本的一半。压电致动器通过Arduino处理器进行控制。当施加10V电压时,致动器将扫描台移动一个微米。

学生团队将回到各自的学校继续AFM的研发,改进他们设计的纳米级革命性产品。

UCL纳米科技伦敦中心的主任Gabriel Aeppli,说:“低成本科学设备,不仅在高校很有用,而且对于发展中国家的医院和诊所也具有非常重要的意义。”

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