將蜘蛛絲制成光刻膠可實(shí)現(xiàn)分子級別的精度 大自然果然是最厲害的造物師
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2021-09-29 15:20:57
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提到蜘蛛絲，大家很容易想到“蜘蛛俠”，僅僅利用手臂上發(fā)射出的蜘蛛絲繩索，蜘蛛俠就可以自由穿梭在高樓大廈之間，這纖細(xì)的蜘蛛絲和碩大的人體形成了鮮明的對比，想必這蜘蛛絲一定很結(jié)實(shí)！
回到現(xiàn)實(shí)中的自然界，大家小時候一定有蹲在花叢中觀察蜘蛛織網(wǎng)的經(jīng)歷，似乎有源源不斷的絲線從蜘蛛腹部拉出，先固定經(jīng)線，再由內(nèi)向外一圈一圈紡出緯線，一張張規(guī)整、漂亮的蛛網(wǎng)不但是蜘蛛生活的家，還成為它捕捉獵物的有力武器。即便是飛翔的昆蟲撞了上去，蛛網(wǎng)也只是輕微顫抖后很快回復(fù)平靜，仍然保持結(jié)構(gòu)完整無恙，想必這蜘蛛絲一定很強(qiáng)韌！
蜘蛛絲蛋白是蜘蛛絲的主要成分，包含甘氨酸、丙氨酸以及少量的絲氨酸，加上其它氨基酸單體蛋白質(zhì)分子鏈構(gòu)成。外觀上又細(xì)又柔軟的蜘蛛絲之所以具有極好的彈性和強(qiáng)度，一方面在于，蜘蛛絲中具有不規(guī)則的蛋白質(zhì)分子鏈（非晶區(qū)），這使蜘蛛絲具有彈性；另一方面，蜘蛛絲中還具有規(guī)則的蛋白質(zhì)分子鏈（結(jié)晶區(qū)），這又使蜘蛛絲具有強(qiáng)度。
實(shí)驗(yàn)表明，一束由蜘蛛絲組成的繩子比同樣粗細(xì)的鋼絲繩還要堅(jiān)強(qiáng)有力，它能夠承受比鋼絲繩還多5倍的重量而不會斷裂。盡管蜘蛛絲具有如此出眾的材料特性，但天然蜘蛛絲蛋白主要來源于蛛網(wǎng)，產(chǎn)量非常低，質(zhì)量不均一，而且蜘蛛具有攻擊同類的天性，無法像家蠶一樣大規(guī)模養(yǎng)殖，所以直接從自然界獲取蜘蛛絲蛋白比較困難。
光刻膠是半導(dǎo)體技術(shù)中微細(xì)圖形加工的關(guān)鍵材料。利用光化學(xué)反應(yīng)使光刻膠的溶解度發(fā)生變化（正性光刻膠：難溶→易溶；負(fù)性光刻膠：易溶→難溶），經(jīng)曝光（通過紫外光、電子束、X射線、離子束等曝光源的照射或輻射）、顯影（用溶劑洗去正性光刻膠的曝光區(qū)域和負(fù)性光刻膠的未曝光區(qū)域）、刻蝕等工藝將所需要的微細(xì)圖形從掩模版轉(zhuǎn)移到待加工基底上的圖形轉(zhuǎn)移介質(zhì)。
提升光刻膠的分辨率是發(fā)展集成電路與芯片先進(jìn)制造工藝的重要途徑，而光刻膠的分子組成、結(jié)構(gòu)形態(tài)、機(jī)械性能與其光刻分辨率密切相關(guān)。電子束光刻精度極高，由于電子束的等效波長比光的波長要小很多，其精度已突破百納米量級可達(dá)納米量級，是加工二維平面圖形獲得最小尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工具。如何把電子束光刻的能力拓展到真三維微納加工是研究者長久以來努力的主要方向。
圖1. 基因重組蜘蛛絲蛋白的3D電子束光刻流程
中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所陶虎研究員團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)夏小霞、錢志剛教授合作，運(yùn)用生物工程技術(shù)，創(chuàng)新開發(fā)水系基因重組蜘蛛絲蛋白光刻膠，整個光刻過程中僅使用純水作為溶劑和顯影液，避免引入或產(chǎn)生有毒有害化學(xué)污染。通過設(shè)計(jì)和優(yōu)化重組蜘蛛絲基因片段和分子量，轉(zhuǎn)入大腸桿菌表達(dá)來實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)多種規(guī)格蜘蛛絲蛋白。相對傳統(tǒng)電子束光刻采用高電壓（幾十kV）和薄膠（幾十納米）以保證光刻的準(zhǔn)直度和分辨率，陶虎團(tuán)隊(duì)反其道而行，從低電壓（幾kV）和厚膠（幾微米）入手，結(jié)合基于百萬級數(shù)量電子的大規(guī)模仿真模擬，實(shí)時控制加速電壓調(diào)控電子在蜘蛛絲蛋白光刻膠里的穿透深度、停留位置和能量轉(zhuǎn)移行為，在三維空間內(nèi)準(zhǔn)確定義了電子束在蜘蛛絲蛋白光刻膠中納米尺度的曝光區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了分子級別精度的真三維納米功能器件直寫（如圖1所示）。該技術(shù)加工精度可達(dá)14 nm，接近天然蜘蛛絲蛋白單分子尺寸（~10 nm），較之前技術(shù)提升了1個數(shù)量級（如圖2所示）。
圖2. 高精度三維納米直寫技術(shù)與當(dāng)前其他加工方法的對比
基因重組蜘蛛絲蛋白優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度為復(fù)雜三維納米結(jié)構(gòu)提供了關(guān)鍵支持，有效提升了納米尺度下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。良好的生物相容性允許進(jìn)一步通過功能化，賦予其對光、熱、酸堿度的敏感響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)“可載藥、可驅(qū)動、可降解”的4D納米功能器件（時空可變形），在智能仿生感知、藥物遞送納米機(jī)器人、類器官芯片等研究領(lǐng)域具有明確的應(yīng)用前景（如圖3所示）。相關(guān)研究成果以 3D electron-beam writing at sub-15 nm resolution using spider silk as a resist 為題于2021年8月26日發(fā)表在 Nature Communications 12, 5133 (2021)。
圖3. 系列基因重組蜘蛛絲蛋白4D納米功能器件
該論文的第一通訊單位為中科院上海微系統(tǒng)所，通訊作者為上海微系統(tǒng)所陶虎研究員和上海交通大學(xué)夏小霞教授。該工作得到國家科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金、中國科學(xué)院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計(jì)劃“從0到1”原始創(chuàng)新項(xiàng)目、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計(jì)劃等相關(guān)研究計(jì)劃的支持。
文章來源： 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
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