Implosion Fabrication: MIT-Forscher schrumpfen Objekte

Und plötzlich hat das Ding nur noch ein Tausendstel seines vorherigen Volumen: Forscher am MIT haben eine Technik entwickelt, um Strukturen in größerem Maßstab zu bauen und dann auf die Nanogröße zu verkleinern. Das geht aber nur mit bestimmten Materialien.

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Gerüst aus Polyacrylatgel vor dem Schrumpfen: Säure blockiert negative Ladungen.
Gerüst aus Polyacrylatgel vor dem Schrumpfen: Säure blockiert negative Ladungen. (Bild: Daniel Oran/MIT)

Das klingt schon sehr nach Science Fiction: Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben ein Verfahren entwickelt, um Gegenstände zu schrumpfen. Sie lassen sich bis auf ein Tausendstel ihrer ursprünglichen Größe verkleinern. Ein U-Boot wie im Film Die phantastische Reise, das durch den Körper eines Menschen fährt, wird es damit aber nicht geben.

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Implosion Fabrication nennen die Forscher um Edward Boyden dieses Verfahren. Die Idee ist, komplexe Strukturen in einem größeren Maßstab zu bauen und anschließend auf die Größe zu schrumpfen, die die Struktur am Ende haben soll. Eingesetzt werden soll die Implosion Fabrication in so unterschiedlichen Bereichen wie Medizin, Robotik oder Optik - mit dem Verfahren sollen sich beispielsweise mehrere Linsen fertigen lassen.

Das Verfahren kehrt das Verfahren der Expansionsmikroskopie um, das vor einigen Jahren am MIT entwickelt wurde, um hochauflösende Bilder von Hirngewebe zu erstellen. Dabei wird Gewebe in ein Hydrogel eingebettet und dann vergrößert. Damit lassen sich Strukturen erkennen, die unter einem herkömmlichen Mikroskop sonst nicht zu sehen sind. Bei der Implosion Fabrication gehen die Forscher genau umgekehrt vor: Sie betten größere Objekte in ein expandiertes Hydrogel ein und schrumpfen dieses dann auf Nanogröße.

Das Gerüst besteht aus einem saugfähigen Material

Zunächst bauen die Forscher eine Struktur aus einem Polyacrylat, einem saugfähigen Material. Die Struktur wird dann in eine Lösung getaucht, die Fluoresceinmoleküle enthält. Diese werden durch Laserlicht aktiviert und lagern sich dann an die Struktur an. Mit Hilfe eines Multiphotonenmikroskops werden sie genau positioniert.

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Die Fluoresceinmoleküle bilden sogenannte Anker, an die später andere Moleküle angelagert werden können. "Man bringt die Anker mit Licht an, wo man will, und später kann man alles, was man will, an den Ankern befestigen", sagt Boyden. "Das kann ein Quantenpunkt sein, ein Stück DNA oder ein Nanopartikel aus Gold."

Schrumpfen macht das Gerüst dichter

Sobald alles dort angebracht ist, wo es hingehört, wird die Struktur geschrumpft. Dazu setzen die Forscher eine Säure ein. Die blockiert negative Ladungen im Polyacrylatgel, die sich gegenseitig abstoßen. Ist das nicht mehr Fall, zieht sich das Gel zusammen. So lassen sich Objekte in jeder Dimension um das 10-Fache verkleinern, also insgesamt um das 1.000-Fache. Das Objekt wird dadurch nicht nur kleiner, sondern auch dichter. Der Vorteil ist, dass sich das Gerüst, wenn es eine geringere Dichte hat, einfacher modifizieren lässt. Durch das Schrumpfen wird es dann zu einem festen Stoff.

Dreidimensionale Nanostrukturen herzustellen, ist schwierig. Eine Möglichkeit ist, einen Laser einzusetzen. Dabei entstehen aber nur zweidimensionale Muster auf einer Oberfläche. 3D-Strukturen werden schichtweise aufgebaut, was aber schwierig und vor allem langsam ist. Außerdem sei ein solcher 3D-Druck auf bestimmte Materialien beschränkt, die nicht immer die benötigten Eigenschaften hätten, und es ließen sich nicht beliebige Formen herstellen, sagen die MIT-Forscher. Das soll sich durch Implosion Fabrication ändern.

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