重大成果！電子束曝光（EBL）技術(shù)首次應(yīng)用于蟬翅結(jié)構(gòu)納米柱的仿生制造！

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發(fā)表時間：2019-07-10 15:34

　　生物體從宏觀到微觀，再到納米尺度的多級復(fù)合結(jié)構(gòu)，使其具有諸多獨特的優(yōu)異性能。人們很早就開始模仿生物的特殊功能，來發(fā)明和應(yīng)用新技術(shù)。

　　例如人們根據(jù)蒼蠅特殊的“復(fù)眼”結(jié)構(gòu)，仿照制成了“蠅眼透鏡”，用它作鏡頭可以制成“蠅眼照相機”，一次就能照出千百張相同的相片；還有仿照水母耳朵的結(jié)構(gòu)和功能，人們設(shè)計了水母耳風暴預(yù)測儀；根據(jù)蛙眼的視覺原理，研制成功了一種電子蛙眼，能準確無誤地識別出特定形狀的物體…

圖：蒼蠅特殊的“復(fù)眼”結(jié)構(gòu)（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

　　這就是早期的仿生學(xué)應(yīng)用，但隨著科技的進步和納米技術(shù)的迅速發(fā)展，人們開始將仿生學(xué)應(yīng)用到納米尺度，研究者通過模仿生物的納米結(jié)構(gòu)仿生制造出類似的超微結(jié)構(gòu)，以此來探究和獲取生物的特殊功能。在納米微結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域，常用的微納光刻技術(shù)有納米壓印、紫外光刻、X射線曝光等技術(shù)。

　　而在最近的一項研究中，昆士蘭科技大學(xué)的研究團隊首次將電子束曝光（EBL）技術(shù)應(yīng)用于生物納米結(jié)構(gòu)的仿生制造，并取得了重要研究成果。目前，該項研究論文已被Journal of Materials Chemistry（IF=4.776）錄用，論文題目為Multi-biofunctional properties of three species of cicada wings and biomimetic fabrication ofnanopatterned titanium pillars。

　　研究中涉及的大量仿生制備工作由TESCAN 的EBL完成，并使用了TESCAN MIRA3場發(fā)射掃描電子顯微鏡表征細胞間相互作用。

圖：研究論文已被Journal of Materials Chemistry（IF=4.776）錄用

　　由于蟬翼具有多功能生物特性，如超疏水性，自清潔和殺菌作用等，人們對其在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用產(chǎn)生了濃厚興趣。昆士蘭科技大學(xué)Prasad KDV Yarlagadda及其研究團隊對蟬翼的殺菌和細胞相容特性進行了系統(tǒng)研究，并首次使用電子束曝光技術(shù)（EBL）進行蟬翼結(jié)構(gòu)的仿生制造，加工出類似的納米錐陣列結(jié)構(gòu)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，其同樣具有殺菌和生物相容性。

　　首先，研究人員使用了SEM，AFM，TEM等多種微觀分析技術(shù)對三種不同種類的澳大利亞蟬翅膀表面的納米結(jié)構(gòu)進行了表征。研究人員觀察到，三種蟬翼表面均具有獨特的形貌結(jié)構(gòu)，雖然凸起的高度、直徑、間距和密度并不完全相同，但都呈現(xiàn)出錐狀的納米柱陣列。

圖：不同物種的蟬翅具有不同高度、間距、直徑和密度的納米柱結(jié)構(gòu)

　　研究人員分別采用了在蟬翼上附著銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌細胞和人成骨細胞的方法來探究昆蟲翅膀的殺菌活性和生物相容性。實驗證明，三種蟬翼均具有很好的殺菌活性，且附著人成骨細胞的蟬翅細胞形態(tài)在24小時后仍然保持完整，表明它們?nèi)匀痪哂猩锵嗳菪浴?/span>

　　在該項研究中，研究人員嘗試進行蟬翼結(jié)構(gòu)的仿生制造。由于是納米尺度的陣列結(jié)構(gòu)，一般的刻蝕、沉積方法均無法實現(xiàn)。而常規(guī)的電子束曝光（EBL）技術(shù)也無法實現(xiàn)如此規(guī)模的錐體制造。

　　昆士蘭科技大學(xué)的研究團隊巧妙地利用電子束在光刻膠中的散射，通過控制電子束能量，制作出椎體的“模子”，然后利用沉積生長出需要的椎體，最后腐蝕掉所有光刻膠，得到了完美的納米錐陣列。

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圖：仿生納米錐陣列的制作過程示意圖

　　最終制備的仿生Ti納米錐的高度為116 ~282nm，錐形柱的頂端直徑最小達13.3nm，底部直徑93.6nm左右。并且，進一步實驗發(fā)現(xiàn)，其同樣具有殺菌性和生物相容性。昆士蘭科技大學(xué)的這項研究成果對于納米仿生學(xué)的應(yīng)用具有重大意義。

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圖：通過EBL技術(shù)制備的仿蟬翼結(jié)構(gòu)的Ti納米錐陳列

圖：（E）在制備出的仿生Ti納米錐陣列上附著銅綠假單胞菌細胞；（F）對照Ti柱和仿生納米Ti柱上附著的人成骨細胞的活性；（G）在仿生Ti納米錐陣列上附著擴散良好的成骨細胞；

　　電子束曝光（EBL）技術(shù)是一種電子束直寫技術(shù)，是利用電子束在涂有對電子敏感的高分子聚合物（光刻膠）的基底上直接描畫出圖形，通過刻蝕實現(xiàn)微小結(jié)構(gòu)的加工。電子束曝光（EBL）技術(shù)避免了傳統(tǒng)方法中對模板加工和使用的復(fù)雜過程，其高分辨、高度靈活性、高靈敏度的特點也受到研究人員關(guān)注，且EBL制備方法更加簡單，更容易制備出小尺寸的各種花樣的周期性結(jié)構(gòu)。

　　在上述工作中，昆士蘭科技大學(xué)研究團隊使用了TESCAN MIRA3高分辨場發(fā)射掃描電子顯微鏡搭配TESCAN自主研發(fā)的電子束曝光（EBL）技術(shù)出色完成了相關(guān)工作。

　　不久前，昆士蘭科技大學(xué)新采購了一臺TESCAN最新的S8000X Xe Plasma FIB-SEM，這是一款功能強大的氙等離子源FIB，配置了TESCAN最新一代的多項專利技術(shù)，期待昆士蘭科技大學(xué)未來取得更多的研究成果！