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，在不损坏活细胞的情况下，绘制像活细胞这样精致的东西。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，得出了这一发现。

通过推进一种称为冰刻的方法，该团队能够直接在脆弱的生物表面上蚀刻出令人难以置信的小而详细的图案。

虽然传统的光刻技术通常用于制造手机和电脑的微小电路和其他电子部件，但它依赖于一种液体工艺，这种工艺很容易损害包括碳纳米管和生物膜在内的精细材料。

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、更精确的方法来处理曾经被认为太脆弱而无法处理的材料。这项研究发表在《纳米快报》杂志上。

“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，而不是使用传统的光刻工艺，这对精细的生物材料来说太苛刻了，”物理学教授兼研究合著者加文·金说。

“冷冻层有助于在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细生物材料。”

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。这项工作的独特之处在于乙醇冰的使用，它可以保护脆弱的生物材料，而普通的水冰会造成损害。

为了测试他们新的基于乙醇冰的方法，研究人员使用了盐生卤杆菌，这是一种微小的微生物，可以产生一种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20世纪70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，这使其成为开发新型电源的有前景的候选者。

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。

以下是冰光刻法的工作原理。

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。温度降至极低水平，低于-150°C。然后，当他们加入乙醇蒸汽时，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，一束聚焦的电子在冻结层中绘制出微小的图案。一旦完成，表面会被轻轻加热。没有被光束击中的冰部分被升华了，而图案——现在是一种固体材料——被留下了。

该研究的主要作者、研究生Dylan Chiaro说：“我们制作的图案宽度小于100纳米，比人类头发细1000多倍。”。“这是朝着研究生物学中一些最微妙的组成部分迈出的重要一步。”

这一发现汇集了生物学、化学、物理学和空间科学领域，并可能改变科学家处理生命最微小组成部分——分子、蛋白质和原子的方式。

物理学教授、该研究的合著者Suchi Guha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的工具来研究光如何与分子相互作用，称为表面增强拉曼散射，发现这种固体材料的行为与碳纤维相似。

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工艺完成后，紫色膜几乎没有变化，只损失了不到一纳米的厚度。这证明，研究人员可以利用这一过程直接在脆弱的生物材料上创建图案，而不会对其造成损坏——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命化学物质。King认为，布罗德里克专门从事天体化学的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和物理学的关键一步。

“每个实验室都贡献了一块不同的拼图，”金说。“这种跨学科的团队合作才是真正使这一发现成为可能的原因。”