科学家利用冷冻乙醇制造微型生物工具

通过推进一种名为冰刻的技术，该团队能够在脆弱的生物表面直接蚀刻出极其微小、精细的图案。

虽然传统光刻技术常用于制造手机和计算机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伤敏感材料，包括碳纳米管和生物膜。

这正是密苏里大学（Mizzou）冰基技术的突破之处。通过使用冷冻乙醇层替代液体，他们开发出更温和、更精准的方法，可处理曾被认为过于脆弱而无法操作的材料。

"我们的技术不使用会对脆弱生物材料造成剧烈损伤的传统光刻工艺，而是覆盖薄冰层来保护材料表面，同时进行图案刻蚀，"物理学教授、研究合著者加文·金解释道，"这层冷冻物质能确保整个过程的稳定性，使我们能够处理通常会被严重损坏的精密生物材料。"

全球仅有三家实验室掌握此项冰刻技术，密苏里大学拥有其中一家——也是北美唯一的研究机构。其独特之处在于使用乙醇冰，可保护普通水冰会造成损伤的精密生物材料。

为验证新型乙醇冰基技术，研究人员选用盐沼古菌（Halobacterium salinarum）进行测试。这种微生物能产生紫色蛋白质捕获阳光并转化为能量——堪称天然的太阳能电池板。自1970年代以来该微生物在生物学界广为人知，其高效光能转化特性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充满期待，包括利用这种精密紫色薄膜制造太阳能电池板的可能性。

技术原理

冰刻技术的运作流程如下：

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，温度降至-150°C以下的极冷状态。随后注入乙醇蒸汽，其瞬间冻结成乙醇冰，在膜表面形成光滑薄层。

接着，聚焦电子束在冰层上绘制微细图案。完成后缓慢升温，未受电子束照射的冰层区域直接升华消失，而被刻蚀的图案则作为固态物质保留下来。

"我们制作的图案宽度小于100纳米，比人类发丝薄1000倍以上，"研究生、本研究第一作者迪伦·基亚罗表示，"这是在操作某些最精密生物元件领域迈出的重要一步。"

协同攻关

密苏里大学文理学院研究团队的这项发现融合了生物学、化学、物理学与空间科学领域，或将彻底改变科学家处理生命最小构建单元——分子、蛋白质和原子的工作方式。

物理学教授、研究合著者苏奇·古哈通过表面增强拉曼散射技术（一种检测光与分子相互作用的高灵敏度工具）解析了生成材料的结构，其团队发现该固态物质具有类似碳纤维的特性。

工艺流程完成后，紫色薄膜几乎未发生变化——厚度损失不足1纳米。这证明研究人员可直接在脆弱生物材料上无损刻制图案，攻克了长期困扰科学界的难题。

化学助理教授、研究合著者贝尔纳黛特·布罗德里克探测到乙烯酮的存在——这是一种电子束加工过程中形成的瞬时化合物。金认为布罗德里克实验室（专攻天体化学领域）的发现，有助于解释乙醇冰如何转化为稳定固态物质，这对理解该技术背后的化学物理机制至关重要。

"每个实验室都贡献了不同的拼图模块，"金强调道，"正是此类跨学科协作使这项发现成为可能。"