Fiorenzo Omenetto,Frank C.塔夫茨大学工程学院工程学院的弗兰伦佐·诺贝尔教授,研究院长,塔夫茨Silklab主任带领一个团队,这些团队采用了一种使用丝绸的超材料产生了一系列可打印的微波谐振器。

(托

yabovip16.com是什么使你开始从事这项工作的?

(托:你可能知道,我经营着一个叫做丝克拉的实验室我们在那里研究生物材料已经有很长时间了。但是,我们并没有在传统学科中使用生物材料,这些传统学科更倾向于将其用于组织整合或医学应用,而是开始在技术应用中使用这些材料。我把技术应用定义为光子学和电子学,这是我的背景。这导致了丝绸的使用,我是被我的一个同事戴维·卡普兰(David Kaplan)在走廊里的一次谈话“拖”进去的,卡普兰是组织工程的先驱。这使得蚕丝进入了衍射光学领域,光子晶体、波导、半导体门,以及通过掺杂生物掺杂剂来维持其化学功能的混合器件。

我在做超快光学和微电子学的时候就很熟悉这些技术的表达方式,但还没有嵌入生物功能。例如,由丝和血红蛋白组成的衍射光栅是闻所未闻的。所以,你能用它做什么还有待讨论,但我认为它是一个非常强大的工具。

我们希望重新定义这些域中的一些应用程序,并且广泛地定义,光子和微电子世界 - 高科技领域。我有一种感觉,生物材料可以真正缩小自然界和技术世界之间的差距,如平面制造的方法,以及精油技术的方法,以及光学技术。我们有我们的处理,这种自下而上的制造,典型的性质,并且将尺寸控制到纳米级,具有精致的材料控制,并有效地与围绕它的环境非常互动。这也是两种不同的心态。技术由僵化的设计规则和指标定义,而自然界非常适应,自我愈合和变量非常适应,并取决于环境条件。那些东西可以吓唬技术人员。但我认为这些品质中有很多优势。我们的技术骨干有很多先进的转换技术,如果你合并两个世界,那么真的开始致力于探测环境的东西,但在技术方面是与我们的技术前端联系非常熟悉和每天使用。

这是非常强大和令人兴奋的工作与所有这些材料是多功能的。这就是我开始做这个的原因。“我为什么要这么做”是因为我在走廊上谈了谈丝绸。它是关于组织工程植入物的,它应该取代角膜,它需要几个孔来让细胞生长。我在实验室里用飞秒激光在上面戳洞,当我试图把激光对准透明的丝膜时,我没有看到任何散射,我失去了光束。这告诉我,表面是精美的光学质量。然后我们开始研究其他的光学应用,一件接着一件,现在我们有了各种丝质技术。

yabovip16.com顺便提一下:有一次我被指派写一篇关于如何让一些工程公司更有创造力的文章,我的其中一个要点是,在走廊里进行随机对话是创造力的源泉。

托:我认为另一件事是要有愿意交谈的人当我们谈论跨学科时,这是非常被低估的事情。我不太相信把不同的学科放在同一栋大楼里,然后抱着最好的希望。我非常相信那些充满好奇和无私地分享他们专业知识的人。我想这里面有意外发现,所以很难想出一个食谱。在这方面,大卫是一个不同寻常的人。和我一起工作的很多人也是如此。这通常很有趣。

yabovip16.com我很难想象生物材料和你们所谓的技术材料,比如标准电子材料,是如何相互作用的。我想象不出它的机理。

托:蚕丝基本上是一种聚合物——一种生物聚合物。所以,我认为直接的类比是在一般技术环境中使用的一些聚合物。例如,它们可以是用于平面制造方法如光刻胶的聚合物。在生物聚合物格式和一些电介质和一些晶体矩阵之间也有相似之处,无论它们是硅还是硅氧化物。我想如果你想想我们是如何制作材料的,情况就更清楚了。所以,当我说我们研究丝的时候,我们实际上是研究丝纤维的前体,也就是蚕腺体里用来纺丝纤维的液体。我们研究的是这种液体:一种由丝蛋白组成的悬浮体——一种由丝素分子组成的水悬浮体。这是前体物质通过丝素蛋白的定向组装产生很多末端物质形式,如果你适当地给分子浓度,溶液粘度,等等。一个简单的例子是,你可以在高控制的丝质溶液上旋转涂层,生成原子平滑的层。经过数百人年的研究,我们可以将它们控制到原子水平——单层水平。 You can drop cast these materials like you would with elastomers, as we would with polydimethylsiloxane for example. You can do soft lithography and nanoimprint them like you would with thermoplastics, albeit at lower temperatures and pressures. When a silk solution is laid out and left to dry, beautiful transparent freestanding films are formed that are conformal at the nanoscale, et cetera, et cetera. Broadly speaking, the fact that this is a protein matrix provides, if you will, the missing link between technology and biology. You start with a water-based suspension of fibroin molecules, which has a neutral pH. So, as long as you have something that is dissolvable in water, you can add it to the mix and generate a large library of “biologically doped” material formats. So, it's sort of like bulk doping a technical material. And that's powerful because you can pick your inorganics or your organics, mix them with this silk solution, and reshape them into to all sorts of material formats of technological interest.

如果你选择某些有机材料,结果是当材料形成时,从液态变成固态的丝绸,无论混合在前体溶液中的是什么,都会以固态形式夹带,但重要的是,以这种形式保留其生物活性。

回到意外发现,当我们开始探索用丝绸制作软光刻和用它制作各种衍射光学产品时,它们的光学质量给我们留下了深刻的印象。那是在万圣节前后,我们在帮助某人做一些流式细胞术实验,我们在实验室里有一些血液。我们决定,既然毕竟是万圣节,我们就做一个血液衍射光栅。所以我们在丝液中加入了一些血液然后浇铸。我们做了一个600线每毫米的亮红色衍射光栅,我们都非常满意。

然后我们忘记了几个月,当我们再次看了时,光栅仍然是鲜红的。我们预计血液通常是深棕色,因为它通常是在表面上留在外面时,但这不是。因此,我们开始了一系列实验,我们看到光栅中包含的血红素分子仍然能够结合和解除氧气。我们看到分子在这种格式内仍然活跃 - 您有一种自感光栅。这导致了很多东西 - 这就是我的意思是拥有技术的技术格式,弥合了两个世界。

想象一下,现在你有一种材料,它可以兼容UV光刻、电子束光刻、旋转涂层、蚀刻和设备集成。这种材料能够包含/保存一种生物功能并具有生物反应性。由此产生的设备的行为被一种酶调节,这种酶从环境中获取某种东西,或者对氧气的存在或缺乏做出反应的东西,病毒,或其他东西。然后你可以想象,集成设备是基于硅,与生物因素绑定的界面,可以直接用传统技术制造,改变设备的行为。

这就是我们物质创造力开始的地方,因为你可以用不寻常的行为建立不寻常的转导机制。此外,你也可以用无机掺杂剂以非常简单的方式制造各种各样的器件。例如,我们可以在光子晶体中填充量子点,这是通常使用硅或更传统的蚀刻制造技术所不能做到的。我们的工艺借鉴了胶体科学和传统自上而下的制造,创造了一个强大的平台。

独特的推动器是您可以在丝绸不稳定的生物分子中混合,并以几纳米,形状的分辨率储存它们的技术形式,并用良好理解的电子骨干连接和与也很好地理解的光子骨干连接。您有几十年和数十年和数十年的技术,可帮助您构建这些事情。所以,对我来说非常令人兴奋。

yabovip16.com你是怎么打印微波谐振器的?

托:我们是如何从丝绸世界到达那里的?这是因为蚕丝是生物相容性的,蚕丝是可植入的,它是食品安全的,等等。所以,我们开始建造无源微波设备:更常见的射频谐振器,无源谐振器,然后,GHz谐振器可以被固定在生物组织上,比如牙齿的表面。

在这种情况下,原理是,你可以建立一个常规的高q谐振器,如分裂环谐振器,但现在它是建立在生物化学响应基板上。所以,这个想法是如果你有一个谐振器它建在生物活性的衬底上然后对周围的环境做出反应,谐振器的谐振频率是由衬底与外界的相互作用所调制的。

衬底在技术上是非常好的,因为它允许你建造微米大小的间隙的小谐振器,从而在太赫兹范围内甚至更多的超材料。有了这些沉积在丝绸薄膜上的设备,你可以监测薄膜中结合水的微小变化,你可以监测薄膜交联的不同状态,等等。

这是我们开始的地方;但是用一种活性材料来组装设备,或者用来制造设备的概念,在谐振器的缝隙处充当环境的界面,然后有点卡住了。所以,发生的事情作为一个结果是:提高生产规模(在不同尺度)的这些设备,灵活的电子产品,设备可以集成到皮肤,可以把牙齿表面,可以吃掉,或者可以在大量印刷。结果是,我们开始使用喷墨打印来打印高Q谐振器,然后用PEDOT:PSS填充间隙。

添加这个调制器之后,我们就可以通过添加电解质来积极地调整天线阵列中发生的事情。只要在间隙的不同部分放入盐,你就可以根据共振器片暴露的位置调整材料的响应。

快进到定义:你有一个大的分裂环谐振器阵列,然后导致你有一个超材料,其中的单个缝隙是活跃的,可以通过在他们的任何地方放置电解质来调节。你可以调整超材料的行为,它不再是静态的,而是动态的。所以,它是可打印的,它是大规模的,它可以很容易地放大,然后它可以按你想的重新配置。

yabovip16.comSo, you tune the谐振器to a fixed frequency in advance?那么,你提前把谐振器调到一个固定的频率?

托:典型的超材料是由一组通常是静态的天线构成的。全球电磁响应和超材料的行为是固定的,这取决于你使用的天线的设计。唯一的区别是你要设计一个阵列——一个二维阵列的天线。然后,你可以通过调节单个间隙中的共振来调整共振频率。所以,谐振器之间有一个相互作用,然后有一个从你放入间隙的导电聚合物的调制,这允许你使超材料动态。

一种薄膜聚合物可调谐小型微波谐振器喷墨打印阵列的特性。该复合器件可以被调谐以捕获或传输不同波长的微波能量。

yabovip16.com如何使用动态超材料?

托:这取决于每个人的想象力。最被滥用的例子是隐形斗篷。在比我们使用的频率高得多的频率下,我们试图让光以不同的方式弯曲,这样它就会弯曲并在物体周围传播——结果就会掩盖物体。但是,当这种材料被制造出来并且是“静态的”时,你就会被某种特定的行为所束缚,尽管从物理角度来看这是一个非常有趣的行为。

在这种情况下,我认为人们可以开始考虑设计一种材料,使其具有某种响应——某种电磁响应——具有特定的共振/吸光度。然后可以调整的频率响应:如果您添加一点点的电解质材料的在一个特定的部分,你可以移动的“操作点”材料,这使得它更吸收频率,然后在一个潮湿的国家在另一个频率,甚至关闭吸收。你可以开始摆弄这些东西开始调整材料的功能。

现在,你要用它做什么就不一样了。我们有一个在特定频率范围内运行的对象,那么这里的用例场景是什么?超过半千兆赫,也许我们可以去别的地方。也许在光学领域,也许你可以使用转移打印来支持这些领域的新应用。

当然,这项技术在传感方面也有应用。也许还有其他一些奇异的应用是基于对超材料本身的电磁响应的连续调谐。或者你想捉弄某人,让他们的遥控器不再工作。

至于这将在哪里应用,还没有定论。我认为这里的主要概念是,你有大规模的,灵活的材料-超材料-可以打印,因此规模扩大。你不受静态几何的束缚;几何形状可以调整,这样你就可以在频率、振幅和相位上调整它们。

yabovip16.com如果你要用这个作为传感器,比如说在身体上,微波能量从哪里来?

托:可能是被动读者写的。这通常用于阻抗光谱学的应用,发射机在询问后感知回跳信号。例如,如果你将一滴液体放入你的信用卡内,近场通信就会受到一定程度的干扰。所以,问题是你能否从中提取有用的信息电磁相互作用的变化意味着什么。

yabovip16.com你下一步的工作是什么?

托:我们还有多少时间?

就这个项目而言,尽管我们的方法是使用喷墨印刷,但我认为转移印刷可能同样可扩展,非常引人注目。它将减少材料的尺寸,这将延长这些设备的频率范围。

我们已经用更小的谐振器在太赫兹范围内进行了一些设备的转移打印,我们把它们放在食物和类似的东西的表面上。所以,考虑将这种方法扩展到不同的电磁波谱区域是我们要研究的一个领域。

感知是另一个问题,看看我们是否可以通过在同一表面上有不同的谐振器共存来改善阻抗谱。

这仅仅是电子方面的问题。我会保留我的答案,但还有很多其他的可能性。当然,传感和大规模传感、冗余传感器、冗余系统、无源传感设备和更多功能材料有很多应用。我们将致力于这些类型的生物材料的硅硬格式集成和这些材料的传统fab工艺的生物材料集成,以拥有这些“生物连接设备”。

这次采访的编辑版本出现在《技术简报》2021年9月号yabovip16.com


yabovip16.com科技简报》杂志

本文首先出现在9月,2021年问题yabovip16.com杂志。

阅读档案中的更多文章在这里