de.wedoany.com-Bericht: Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben mithilfe einer neuen Technik namens „Implosions-Lithografie" nanophotonische Bauelemente hergestellt, die für Anwendungen wie optisches Rechnen zur Manipulation von sichtbarem Licht genutzt werden können. Die entsprechende Arbeit wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.
Die Technik erlaubt es Forschern, mittels Lichtstrukturierung Merkmale in ein Hydrogel einzuprägen, wobei eine Auflösung von etwa 800 Nanometern erreicht wird. Anschließend können diese Merkmale auf weniger als 100 Nanometer verkleinert werden. Da die Auflösung kleiner ist als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts (380 bis 750 Nanometer), können die nanophotonischen Bauelemente Licht auf spezifische Weise beugen und so optische Berechnungen durchführen. Während des gesamten Prozesses schrumpft das Hydrogel in jeder Dimension um mehr als das Zehnfache, was einer Volumenreduktion um etwa das 2000-Fache entspricht.
„Um nanophotonische Anwendungen im sichtbaren Licht zu realisieren, müssen wir Nanostrukturen mit einer Merkmalsgrößenauflösung von weniger als 100 Nanometern herstellen", sagte Quansan Yang, einer der Hauptautoren der Studie, ehemaliger Postdoktorand am MIT und jetzt Assistenzprofessor an der University of Washington. „Nur so können wir Strukturen präzise erschaffen, die sichtbares Licht manipulieren." Der gemeinsame Erstautor, der ehemalige MIT-Postdoktorand Gaojie Yang, ist ebenfalls Hauptautor. Zu den Senior-Autoren gehören Professor Peter So, Direktor des MIT Laser Biomedical Research Center, und Professor Edward Boyden für Neurotechnologie. Boyden ist zudem Forscher am Howard Hughes Medical Institute und Mitglied mehrerer Institute des MIT.
Während des Lithografieprozesses wird das Hydrogel zunächst in einen lichtempfindlichen Farbstoff getaucht. Anschließend regt ein Laser die Photosensibilisatoren an bestimmten Stellen an, wodurch freie Radikale entstehen, die chemische Bindungen aufbrechen und Leerstellen bilden. Danach wird das Hydrogel in einer Ionenlösung gebadet und überkritisch getrocknet, wodurch sich sein Volumen letztendlich um das 2000-Fache verringert. Mit dieser Technik erstellten die Forscher verschiedene 3D-Formen wie Spiralen und Schmetterlingsflügelstrukturen und fertigten ein Bauelement, das digitale Klassifizierungsaufgaben ausführen kann. Dieses Bauelement nutzt die Lichtbeugung durch das Leerstellenmuster, um ein neuronales Netzwerk zur Ziffernerkennung nachzuahmen.
„Dies ist ein rein optisches System, das optische Berechnungen effektiv ausführen kann", sagte So. „Man kann die Materialeigenschaften an jeder winzigen Stelle manipulieren", ergänzte Dushan Wadduwage, einer der Autoren, ehemaliger MIT-Postdoktorand und jetzt Assistenzprofessor an der Old Dominion University. „Wir haben Millionen von Stellen, für die wir Eigenschaften festlegen müssen, was zu einem Designproblem wird, das mit Deep-Learning-Algorithmen für die Entwicklung neuer Komponenten gelöst werden kann." Die Forscher planen nun, nach dem gleichen Prinzip optische Geräte zu bauen, die durch mikrofluidische Chips strömende Zellen klassifizieren können, um zirkulierende Tumorzellen in Blutproben zu identifizieren. Die Methode könnte auch für die Hochdurchsatz-Bildanalyse von Biopsie-Gewebeproben oder, angepasst an andere Materialien, für die Herstellung von Kanälen in 3D-nanofluidischen Bauelementen eingesetzt werden. Die Forschung wurde teilweise durch den MIT-Fujikura-Kooperationsfonds, das U.S. Army Research Office, Lisa Yang und Y. Eva Tan, John Doerr, Open Philanthropy, das Howard Hughes Medical Institute und die National Institutes of Health finanziert.
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