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

用基因重组的蜘蛛丝蛋白作为光刻胶，科学家实现了分子级别精度的真三维纳米功能器件直写，该技术加工精度可达14nm，较之前技术提升了1个数量级。

以上结果来自中国科学院上海微系统所陶虎团队与上海交通大学夏小霞、钱志刚团队。三维制造在过去二十年中得到了深​​入研究。随着材料开发的协同进步，许多应用极大地受益于微米、纳米尺度三维结构和设备的高分辨率制造，如微流体、折射/衍射光学、光子超材料和机械超材料。

当尺度更小、到深纳米尺度（即小于100nm）时，材料和制作技术的挑战更加突出。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，需要系统地评估3d制造结构的生物相容性、物理化学稳定性和功能化的难易程度。

制造三维结构可以使用光刻方法（如多光子无掩模光刻和掩模投影立体光刻），将合成树脂和角蛋白、丝素蛋白和丝胶等作为光刻胶。

光刻胶又称光致抗蚀剂，是一种在光照后能具有抗蚀能力的高分子化合物，用于在半导体基件表面产生电路形状，是芯片制造的重要材料。提升光刻胶的分辨率是发展集成电路与芯片先进制造工艺的重要途径，而光刻胶的分子组成、结构形态、机械性能与其光刻分辨率密切相关。

电子束光刻精度极高，通常是二维微纳加工获得最小尺寸的标准工具，将电子束光刻的能力拓展到真三维微纳加工是研究者长久以来努力的方向。

历史上，电子束光刻用高电压（25千伏以上）和薄胶（不超过100纳米）以保证光刻的准直度和分辨率。

之前，研究团队将电子束光刻和离子束光刻结合在丝蛋白中制造简单的二维和三维纳米结构，而离子束光刻技术不可避免地蚀刻顶层并可能造成离子污染。三维纳米制造技术仍存缺陷，包括光刻分辨率和结构复杂性之间的先天矛盾，以及功能化的限制。因此，材料和制造技术方面的新战略与创新还有待探索。

图片来源：中国科学院上海微系统所

此项工作中，研究团队通过优化重组蜘蛛丝基因片段和分子量，创新开发水系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液，防止产生化学污染。

研究团队从低电压（10千伏以下）和厚胶（微米数量级）入手，结合基于百万级数量电子的大规模仿真模拟，实时控制加速电压调控电子在丝蛋白光刻胶里的穿透深度、停留位置和能量吸收峰，实现了分子级别精度的真三维纳米功能器件直写。

该技术加工精度可达14nm，接近天然丝蛋白单分子尺寸（约10nm），较之前技术提升了1个数量级。

研究者表明，所制的三维纳米结构继承了蜘蛛丝的优异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，可以通过生物或化学方式进行功能化，实现可载药、可驱动、可降解的4D纳米功能器件（时空可变形），在智能仿生感知、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，研究者设计制造了一种新型纳米机器人，它能在液体环境中进行受控运动，由人体生理水平的生物燃料提供动力，并通过光/酸碱度/热触发降解来控制设备寿命。

相关研究成果以“3D electron-beam writing at sub-15 nm resolution using spider silk as a resist”（使用蜘蛛丝作为光刻胶以亚15nm 分辨率进行三维电子束光刻”）为题于2021年8月26日发表在《自然-通讯》上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25470-1#Sec2