用蛛丝制作光刻胶实现分子级精度真三维纳米功能器件直写

利用重组蜘蛛丝蛋白作为光刻胶，科学家实现了分子级精度的真三维纳米功能器件的直接写入。这项技术的加工精度可以达到14纳米，比以前的技术高一个数量级。

以上结果来自中国科学院上海微系统研究所团队和上海交通大学夏、钱志刚团队。在过去的二十年里，人们对三维制造进行了深入的研究。随着材料的发展，微流体、折射/衍射光学、光子超材料和机械超材料等微纳尺度三维结构和设备的高分辨率制造使许多应用受益匪浅。

当尺度变小并达到深纳米尺度时，材料和制造技术的挑战变得更加突出。其中，分辨率、结构稳定性和精度是关键因素。对于细胞支架和治疗性微/纳米机器人等生物医学应用，有必要系统地评估三维制造结构的生物相容性、物理化学稳定性和功能化难度。

三维结构可以通过光刻法制造，使用合成树脂和角蛋白、丝素蛋白和丝胶蛋白作为光刻胶。

光致抗蚀剂又称光刻胶，是一种经过光照后仍能抗蚀的高分子化合物。它用于在半导体衬底表面产生电路形状，是芯片制造的重要材料。提高光刻胶的分辨率是发展先进集成电路和芯片制造技术的重要途径，光刻胶的分子组成、结构和力学性能与其光刻分辨率密切相关。

电子束光刻精度高，通常是2D微纳加工中获得最小尺寸的标准工具。将电子束光刻的能力扩展到真正的三维微纳加工是研究人员的长期努力。

历史上，电子束光刻使用高电压和薄胶(小于100纳米)来确保光刻的准直性和分辨率。

此前，研究团队将电子束光刻和离子束光刻相结合，在丝蛋白中制作简单的2D和3D纳米结构，但离子束光刻不可避免地会刻蚀顶层，可能会造成离子污染。三维纳米制造技术仍然存在缺陷，包括光刻分辨率和结构复杂性之间的内在矛盾，以及功能化的局限性。因此，需要探索材料和制造技术方面的新战略和创新。

在这项工作中，研究团队通过优化重组蜘蛛丝基因片段和分子量，创新开发了水性基因重组蜘蛛丝蛋白光刻胶，整个光刻过程中仅使用纯水作为溶剂和显影剂，防止化学污染。

研究团队从低电压、厚胶(微米量级)入手，结合基于百万电子的大规模模拟，实时控制电子在丝蛋白光刻胶中的穿透深度、驻留位置和能量吸收峰，实现了分子级精度的真3D纳米功能器件直写。

该技术的加工精度可达14nm，接近天然丝蛋白的单分子尺寸，比以往技术高一个数量级。

研究人员表明，三维纳米结构继承了蜘蛛丝优异的机械强度和结构复杂性。该三维纳米结构具有良好的生物相容性，可通过生物或化学手段进行功能化，实现了可载药、可驱动、可降解的4D纳米功能器件，在智能仿生传感、药物递送纳米机器人、类器官芯片等研究领域具有明确的应用前景。

作为概念验证，研究人员设计并制造了一种新型纳米机器人，该机器人可以在液体环境中受控移动，在人体生理层面由生物燃料提供动力，设备寿命由光/酸碱度/热触发降解控制。

相关研究成果于2021年8月26日发表于《自然-通讯》，题目为“以蜘蛛丝为抗蚀剂的亚15nm分辨率3d电子束写入”。