冷冻科学：研究人员利用冷冻乙醇制备微小生物工具

通过推进一种名为冰刻技术的方法，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。

虽然传统光刻技术通常用于制造手机和电脑的微型电路及其他电子部件，但它依赖于液态工艺，很容易损坏包括碳纳米管和生物膜在内的精细材料。

这正是密苏里大学冰基方法的优势所在。通过使用冷冻乙醇层替代液体，他们创造了一种更温和、更精确的方式来处理曾被认为过于脆弱而难以操作的材料。

物理学教授兼研究合著者Gavin King表示："我们的技术摒弃了可能对脆弱生物材料过于苛刻的传统光刻工艺，转而应用薄冰层在图案制作过程中保护材料表面。这层冷冻层有助于保持整个过程的稳定性，使我们能够处理通常会被严重损伤的精细生物材料。"

全球仅有三个实验室使用这种冰刻方法，密苏里大学拥有其中之一——也是北美唯一的一个。这项工作的独特之处在于使用乙醇冰，它能保护普通水冰会造成损伤的脆弱生物材料。

为测试新型乙醇冰基方法，研究人员使用了盐沼盐杆菌（Halobacterium salinarum）。这种微生物能产生紫色蛋白质，可捕获阳光并将其转化为能量——类似于天然的太阳能板。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有力候选者。

虽然密苏里大学的发现尚属概念验证，但团队对其未来潜力充满期待，包括利用这些精细的紫色膜制造太阳能电池板的可能性。

工作原理

以下是冰刻技术的运作方式：

首先，研究人员将生物膜置于扫描电子显微镜内的冷台上。温度降至极低水平（低于-150°C）。随后加入乙醇蒸气时，其瞬间冻结成乙醇冰，在膜表面形成光滑薄层。

接着，聚焦电子束在冷冻层上绘制微型图案。完成后，对表面进行温和升温。未被电子束照射的冰层区域升华消失，而图案部分——现已转化为固体材料——得以保留。

研究生兼研究第一作者Dylan Chiaro表示："我们制作的图案宽度小于100纳米，比人类发丝细逾1000倍。这是在操作某些最精细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一发现融合了生物学、化学、物理学和空间科学领域，可能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。

物理学教授兼研究合著者Suchi Guha协助鉴定了最终材料的结构。通过采用名为表面增强拉曼散射的高灵敏度技术（该技术分析光与分子的相互作用），其实验室发现固态材料表现出与碳纤维相似的特性。

工艺完成后，紫色膜几乎未发生变化——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创建图案而不造成损伤，解决了长期困扰科学界的难题。

化学助理教授兼研究合著者Bernadette Broderick协助发现了烯酮（ketene）的存在，这种短暂存在的化学物质在电子束加工过程中形成。King认为，Broderick专精天体化学的实验室此项发现，有助于解释乙醇冰如何转化为稳定固态材料——这是理解该方法背后化学和物理机制的关键步骤。

King总结道："每个实验室贡献了不同的拼图板块。正是这种跨学科团队协作真正促成了此次发现。"