酷科学：研究人员采用冷冻乙醇制造微小生物工具

通过改进名为冰刻工艺的技术，该团队能够直接在脆弱的生物表面上蚀刻出极其微小、精细的图案。

尽管传统光刻技术常用于制造手机和电脑的微型电路及其他电子部件，但其依赖的液体处理过程极易损坏包括碳纳米管和生物膜在内的精细材料。

这正是密苏里大学（Mizzou）的冰基技术脱颖而出之处。通过使用冰冻乙醇层替代液体，他们开发出了一种更温和、更精密的方法，能够处理曾经被认为过于脆弱而难以操作的材料。

"我们的技术并非采用可能对脆弱生物材料造成损伤的传统光刻工艺，而是覆盖一层薄冰来保护材料表面，同时进行图案刻写，"物理系教授兼研究合著者加文·金解释道，"这层冰冻层有助于维持整个过程的稳定性，使我们能够处理通常会被严重破坏的精细生物材料。"

密苏里大学拥有全球仅有的三个使用此冰刻工艺的实验室之一——也是北美唯一的实验室。这项工作的独特之处在于使用乙醇冰，它能保护精细生物材料，而普通水冰会造成损伤。

为测试这种新型乙醇冰基工艺，研究人员使用了盐生嗜盐杆菌（Halobacterium salinarum）。这种微生物能产生捕获阳光并将其转化为能量的紫色蛋白质——堪称自然界版的太阳能电池板。自1970年代以来，该微生物在生物学界广为人知，其高效的光能转化能力使其成为开发新型能源的潜力候选者。

虽然密苏里大学的发现尚属概念验证阶段，但团队对其未来潜力感到振奋，包括利用这种精细的紫色膜制造太阳能电池板的可能性。

技术原理

冰刻工艺的工作原理如下：

首先，研究人员将生物膜置于扫描电子显微镜内的低温表面上。温度降至摄氏零下150度以下的极冷状态。随后注入乙醇蒸气，蒸气瞬间凝结成乙醇冰，在膜表面形成平整的薄冰层。

接着，聚焦电子束在冰冻层上刻绘微型图案。完成后，对表面进行温和加热。未被电子束照射的冰层会升华消失，而蚀刻出的图案——此时已成为固态物质——则保留下来。

"我们制作的图案宽度小于100纳米，比人类发丝细1000倍以上，"研究生兼研究第一作者迪伦·基亚罗表示，"这是在处理某些最精密生物元件方面迈出的重要一步。"

协同攻关

密苏里大学文理学院研究人员的这项发现融合了生物学、化学、物理学和空间科学领域，或将彻底改变科学家处理生命最微小构件——分子、蛋白质和原子的工作方式。

物理学教授兼研究合著者苏奇·古哈参与鉴定了生成材料的结构。她的实验室采用名为"表面增强拉曼散射"的高灵敏度技术（通过检测光与分子的相互作用进行分析），发现这种固态材料表现出与碳纤维相似的特性。

工艺完成后，紫色膜的厚度仅减少不到1纳米，几乎保持原状。这证明研究人员可直接在脆弱生物材料上创建图案而不造成损伤——这一难题曾长期困扰科学界。

化学系助理教授兼研究合著者贝尔纳黛特·布罗德里克协助发现了乙烯酮（ketene）的存在，这种短暂存活的化学物质在电子束处理过程中形成。金教授认为，布罗德里克实验室（专攻天体化学领域）的这项发现有助于解释乙醇冰如何转化为稳定的固态物质——这是理解该方法背后化学与物理原理的关键步骤。

"每个实验室都贡献了不同的拼图模块，"金教授强调，"正是这种跨学科团队协作真正促成了此次发现。"