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。

Fiorenzo Openetto.

金宝搏官网是什么使你开始从事这项工作的?

(托:正如您所知道的,我经营一个名为Skilllab的实验室,在那里我们一直在使用生物材料工作很长时间。但是,我们开始与在组织中的整合或用于医疗应用中的传统学科中的传统学科中的生物材料,我们开始使用这些材料进行技术应用。我将技术应用定义为光子和电子产品,这是我的背景。这导致了使用丝绸的使用,在走廊里的谈话中,我的一位同事们是一位组织工程先驱的一位同事。将丝网带入衍射光学器件和光子晶体的领域,以及用于半导体的栅极,以及掺杂有维持其化学功能的生物掺杂剂的混合装置。

我熟悉超快光学和微电子的日子的这些技术表达,但没有嵌入生物功能。例如,由丝和血红蛋白制成的衍射光栅是闻所未闻的。所以,你可以用它来做什么仍然是为了辩论,但我认为这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,非常令人兴奋 - 与多功能的所有这些材料一起使用。这就是让我开始的东西。“为什么我这样做”是因为我在关于丝绸的走廊里进行了谈话。它是关于一种组织工程植入物,该植入物应该代替角膜,它需要几个细胞的孔来生长。我在实验室里有飞秒激光器戳了它的孔,以及当我试图对准激光时在这个透明的丝绸薄膜上,我没有看到任何散射,我丢失了梁。这告诉我,表面是精致的光学质量。然后我们开始看其他光学应用,一件事导致了另一件事,在这里我们都是各种各样的丝绸技术。

金宝搏官网作为括号:有一次,我被分配到如何制作一些工程公司更具创造力和我的重点之一是在走廊中实现随机对话是一种很多创造力的源泉。

托:我认为另一件事是让愿意谈论的人 - 当我们谈论跨学科的时候,这是一个非常低估的东西。我不是一个大信徒在同一建筑中举行不同的学科,希望能成为最好的学科。我是一个非常好奇的人的大信徒,并在分享他们的专业知识时无私。我想涉及Serendipity,所以很难提出食谱。大卫是这方面的一个特殊的人。还有许多其他人都在工作。这通常很有趣。

金宝搏官网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:来自蚕的丝绸基本上是聚合物 - 生物聚合物。因此,我认为直接类比是在一般技术背景下使用的一些聚合物。例如,它们可以是在平面制造方法中使用的聚合物,如光致抗蚀剂。无论是它们是否硅或氧化硅,还存在生物聚合物格式和一些介质和一些晶体基质之间的类比。如果您想到我们如何制作材料,我认为这张照片变得更加清晰。所以,当我说我们用丝绸工作时,我们真的用前身与丝纤维一起工作,即家蚕在其腺体中旋转丝纤维的液体。我们用这种液体合作:丝丝的组成蛋白悬浮 - 丝素分子的水悬浮液。这是通过丝素蛋白蛋白的定向组装产生大量端材料格式的前体材料,如果适当地剂量分子的浓度,溶液的浓度等,则为颗粒素蛋白蛋白质。一个简单的例子是,您可以用高控制旋转丝绸溶液并产生原子平滑的层。经过数百人的工作,我们可以将它们控制在原子水平 - 到单层级别。 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.

如果选择某些有机材料,事实证明,当形成材料时,从液体到固态的丝绸状态,无论混合到前体溶液中都夹带于固体格式,但重要的是,重要的是,保留其生物学以这种格式的活动。

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。

现在想象一下,您的材料与UV光刻兼容,具有电子束光刻,具有旋转涂层,具有蚀刻和设备集成。这种材料能够含有/保持生物功能并生物反应。由此产生的装置的行为是由从环境中拾取某些东西的酶调节,或者对存在或不存在氧气,病毒或其他无论如何的东西。然后,您可以想象是基于硅的集成设备,其中界面绑定到可以用传统技术直接制造的生物因子改变了设备的行为。

这是我们的材料创造力开始的地方,因为您可以构建具有异常行为的异常转换机制。此外,您还可以在非常简单的方式中制造具有无机掺杂剂的各种设备。因此,例如,我们可以用量子点批量涂抹光子晶体,如果您使用硅或更高的传统蚀刻制造技术,这是您通常不能通过的东西。我们从胶体科学和传统的自上而下制品借用的过程借用,以创建一个强大的平台。

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。

金宝搏官网您是如何打印微波谐振器的?

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,原理是您可以构建常规的高Q谐振器,例如分割环谐振器,但现在它基于生物化响应基板。因此,想法是,如果您具有基于生物有源基板内置的谐振器,然后在其周围的环境中反应,则谐振器的共振频率通过基板与外部世界的相互作用来调制。

基材在技术上非常好,因为它允许您构建具有微米尺寸的间隙的小谐振器,因此在太赫兹范围内的超材料甚至更多。使用这些设备被沉积在丝绸薄膜上,您可以监测薄膜中绑定水的小变化,您可以监控电影交联的不同状态,等等。

这是我们开始的地方;但是,具有活动材料的概念,用于组装设备,或者使设备成为谐振器间隙中的环境的界面,然后卡住。因此,结果发生的事情是:通过这些器件的刻度(和不同尺度)的生产,柔性电子,可以与皮肤整体的装置进行改善,可以放在牙齿表面上,即可以被吃掉,或者只是可以用大量印刷。因此发生了什么,这是我们开始使用喷墨打印来打印高Q谐振器,然后填充差距:PSS。

添加此调制器,然后允许我们积极调整天线阵列中发生的情况,通过添加电解质。只需将盐放在差距的不同部分,您可以根据您暴露谐振器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。

金宝搏官网:因此,您预先将谐振器调整到固定频率?

托:典型的超材料由一系列通常静态的天线构建。根据您使用的天线的设计,全局电磁响应和超材料的行为是固定的。这里的一个不同之处在于您设计一个数组 - 一个2D天线数组。然后,您可以通过调制各个间隙中的谐振来调谐谐振频率。因此,谐振器之间的相互相互作用,然后是您放入空隙中的导电聚合物的调制,允许您制造超材料动态。

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。

金宝搏官网如何使用动态超材料?

托:这取决于任何人的想象力。最过剩和最虐待的例子是隐形斗篷。在比我们使用的那些高得多的频率,我们试图让光在物体周围的不同的方式,使其弯曲并传播到弯曲 - 它斗篷对象作为结果。但是,当材料制造和“静态”时,随后,随着特定行为的情况,您将陷入特定的行为,尽管从物理的角度来看,它具有壮观的兴趣。

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,你会做什么是一个不同的故事。我们拥有此对象在某个频率范围内运行,因此这里的使用情况场景是什么?超越一半的千兆赫兹,也许我们可以去别的地方。也许迈向光学域,也许您可​​以使用传输打印来支持这些区域中的新应用程序。

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。

金宝搏官网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:好吧,它可能来自被动读者。这通常用于阻抗光谱学中的应用,其中发射器一旦询问,发射器会感测到反弹信号。例如,如果您在信用卡内放入一滴液体,则近场通信将被扰乱到某个点。因此,问题是您是否可以从中提取有用的信息 - 电磁交互装置的变化是什么。

金宝搏官网你工作的下一步是什么?

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。

我们已经在太赫兹规模上传输了一些这些设备的印刷,其中谐振器更小,我们穿上了食物的表面和这样的东西。因此,考虑将这种方法缩放到不同于电磁谱的区域,肯定是我们将调查的一个区域。

感测是另一种观看,如果我们可以通过在同一表面上具有不同的谐振器共存的能力来改善阻抗光谱。

这只是电子学会所关注的。我会保持答案,但有很多其他可能性。当然,有很多应用用于感测和大规模感测,冗余传感器,冗余系统,被动传感装置和更多功能材料。我们将在这些类型的生物材料中硅的硅中的硬形格式集成以及这些材料的传统FAB过程中的生物材料的整合,以便拥有这些“生物连接的装置”。

这次面试的编辑版本出现在9月2021年技术简报问题金宝搏官网


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本文首先出现在9月,2021年问题金宝搏官网杂志。

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