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Nanolitografía dip-pen

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La Nanolitografia Dip-pen(DPN) empezó como una técnica de litografia de escaneo por sonda (véase Nanolitografia donde una punta de un microscopio de fuerza atómica se transfiere de un tiolatoalcano a una superficie de oro. Esta técnica permite modelar sobre una superficie en escalas bajo 100 nanometros. El DPN es la nanotecnología análoga de el "dip-pen", donde la punta del microscopio de fuerza atómica actúa como un "esfero", que es recubierto con un compuesto químico o mezcla que actuaría como "tinta", que es luego colocado sobre una superficie, el "papel".

El DPN permite una disposición de materiales a escala nano en superficies flexibles. Avances recientes han demonstrado modelacion parlela masiva usando arreglos bidimensionales de 55.000 puntas. Esta tecnología se usa en Química, Ciencia de materiales y otras Ciencias de la vida, e inclusive trabajos con arreglos de escala nano, de muy alta densidad biológica.

La transferencia de "tinta" molecular de la cubierta de la punta de un microscopio de fuerza atómica fue reportado por primera vez por Jaschke and Butt en 1995,[1]​ pero ellos concluyeron erróneamente que el Alcanotiol no podría ser transferido a superficies de oro para formar nanoestructuras estables. Un grupo dirigido por Chad Mirkin estudiaron y determinaron que bajo las apropiadas Condiciones, las moléculas podrían ser transferidas a una variedad de superficies para crear monocapas químicamente absorbidas en un proceso de litografia de alta resolución al que ellos llamaron "DPN". Mirkin y sus colaboradores mantienen las patentes de este proceso, y la técnica de modelacion se ha expandido para incluir "tintas" líquidas. Es importante notar que las "tintas" líquidas están gobernadas por un diferente mecanismo cuando se compara con "tintas" moleculares.

Materiales de disposición

Mecanismo clásico de DPN: tinta molecular haciendo difusión de una punta de nano escala a una superficie a través de un menisco de agua.

Tintas moleculares

Las tintas moleculares están típicamente compuestas de pequelas moléculas que cubren la punta de un DPN y son liberadas en la superficie a través de un menisco de agua, respectivamente ordenadas en las puntas, se puede cubrir la punta con gas o sumergirla en la solución conteniendo la tinta molecular. Si se sumerge la punta se debe remover el solvente antes de modelar. el rango de disposición de una tinta molecular es dependiente del rango de difusión de la molécula, que es diferente en cada molécula. El tamaño del artículo que se va a trabajar es controlado por el tiempo de inmersión de la punta en la superficie (entre milisegundos y segundos) y el tamaño del menisco de agua que es determinado por las condiciones de humedad.

  • Menisco de agua mediado (existen excepciones)
  • Resolución de nanoarticulo (50nm a 2000nm)
  • Cada tinta molecular está limitada a su correspondiente superficie.

Ejemplos

  • Alcanotiolos inscritos en oro.
  • Silanos Inscritos en vidrio o silicio

Tintas líquidas

Mecanismo de disposición de tinta líquida.

Las tintas líquidas pueden ser cualquier material en condiciones de su disposición. Las propiedades del líquido de disposición están determinadas por las interacciones entre el líquido y la punta, el líquido y la superficie, y la viscosidad del mismo líquido. Estas interacciones limitan el tamaño de la tinta líquida a aproximadamente a 1 micrometro, dependiendo del ángulo de contacto del líquido. Altas viscosidades dan mayor control sobre el tamaño y área deseados. A diferencia de las tintas moleculares, es posible hacer disposiciones multiplexadas usando un líquido portador, por ejemplo, usando un líquido viscoso, es posible depositar directamente varias proteínas.

  • Disposiciones multiplexadas
  • Tamaños pequeños (1 a 10 micrometros)
  • Menos restricciones tinta/superficie
  • disposición directa con materiales viscosos.

Ejemplos

  • Proteínas,[2]​[3]​ peptidos,[4]​ modulación con ADN
  • Hidrogeles
  • Tintas conductivas[5]​
  • Lipidos[6]​

Aplicaciones

Con el fin de definir una buena aplicación DPN, es importante entender que PDN puede hacer lo que otras técnicas no pueden. Las técnicas de escritura directa, como la impresión de contacto, puede diseñar múltiples materiales biológicos, pero no puede crear características con resolución sub celular. Muchos métodos de litografía de alta resolución pueden alcanzar resolución micrométrica, pero eso requiere un equipo de alto costo, ya que este no fue diseñado para depositar biomoleculas ni cultivos celulares. La micro impresión puede imprimir biomoleculas en condiciones ambientales, pero no puede diseñar materiales múltiples con registro en nano escala.

Biosensor voladizo funcionando con 4 diferentes proteínas

Aplicaciones industriales

  • Función del biosensor – Coloca directamente.
  • Fabricación de sensor a nano escala – Pequeños, sensores de alto valor que pueden detectar múltiples objetivos.[7]​
  • Chips de proteínas a nano escala – Arreglos de proteínas de alta densidad con sensibilidad aumentada.

Aplicaciones emergentes

Ingeniería celular

El DPN está surgiendo como una poderosa herramienta de investigación para la manipulación de las células con una resolución sub celular.[8]​[9]​

Prototipado rápido

imagen SEM tomada de PDN fabricado de arreglos de oro de metaestructura

Propiedades del DPN

Oro en metaestructura de silicio fabricada con métodos de PDN de arriba hacia abajo

Escritura directa

DPN es una técnica de escritura directa, por lo que puede ser usada para aplicaciones de litografía de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba. En el trabajo de arriba hacia abajo, las puntas se usan para repartir un grabado resistente a la superficie, que es seguido por un proceso de grabado estándar.[10]​ En las aplicaciones de abajo hacia arriba, el material de interés es repartido directamente en la superficie a través de las puntas.

Ventajas únicas

  • Colocación dirigida – Permite imprimir diversos materiales existentes en nano estructuras y micro estructuras con registro en nano escala.
  • Incompatible – Resolución sub celular a nano escala en las condiciones del ambiente de deposición.
  • Escalable – Independiente de la fuerza, permitiendo deposiciones paralelas.[11]​

Conceptos erróneos o mitos

Comparaciones directas con otras técnicas

La crítica más a menudo dirigida al PDN es la velocidad de diseño. La razón de esto tiene que ver más con como se compara con otras técnicas, en lugar de las debilidades inherentes. Por ejemplo, el método de la litografía suave, la impresión de micro contacto (µCP), es el estándar actual del bajo costo, diseño “bench-top” a micro y nano escala, es fácil de comprender, ya que PND es comparado directamente con la impresión de contacto. El problema es que las comparaciones se basan normalmente en las aplicaciones que están muy adaptadas a la impresión de micro contacto (µCP), en lugar de compararla con alguna aplicación neutra. µCP tiene la capacidad de diseñar un material sobre un área grande en una sola etapa de estampado, así como la fotolitografía puede diseñar sobre un área grande en una sola exposición. Por supuesto el DNP es lento cuando es comparado con la fuerza de otra técnica. DPN es una técnica sin “mascara” de escritura directa que se puede utilizar para crear varios diseños de tamaño variado, forma, y tipo de resolución, todos en un solo substrato. Nadie intentaría aplicar la impresión de micro contacto a tal proyecto, esto porque nunca valdría la pena gastar tanto dinero y tiempo en la fabricación de cada sello maestro para cada nuevo diseño. Incluso si lo hicieran, la impresión de micro contacto no seria capaz de alinear los múltiples materiales a partir de los múltiples sellos con el registro de nano escala.[12]​ La mejor manera de entender este concepto erróneo es pensar en las diferentes formas de aplicar la fotolitografía y litografía de haz electrónico. Nadie intenta utilizar el haz de electrones para resolver un problema de fotolitografía y luego reclamar al haz de electrones por ser "demasiado lento". Directamente comparado con las capacidades del diseño de área larga de la fotolitografía, la litografía de haz electrónico es lenta, y sin embargo se pueden encontrar instrumentos de haz electrónico en cada laboratorio y NanoFab del mundo. La razón de esto es porque el haz de electrones tiene capacidades únicas que no pueden ser igualadas por la fotolitografía, así como el DPN tiene capacidades únicas que no pueden ser igualadas por la impresión por micro contacto.

Conexión a la microscopía de fuerza atómica

El DPN evoluciono directamente del AFM, de modo que no es una sorpresa que la gente asuma que cualquier AFM comercial puede llevar a cabo experimentos de DPN. De hecho, el DPN no requiere de un AFM, y un AFM no necesariamente tiene las capacidades reales del DPN. Hay una excelente analogía con el microscopio electrónico de barrido (SEM) y la litografía por haz de electrones. El haz de electrones evoluciono directamente de la tecnología del SEM y ambos utilizan un haz de electrones enfocado, pero nadie podría sugerir la realización de un experimento moderno de litografía de haz de electrones en un SEM que carece de los requerimientos de software y hardware adecuados para la litografia. También es importante tener en cuenta una de las características únicas del DPN, llamada la fuerza independiente. Con prácticamente todas las combinaciones de tinta/substrato, puede ser diseñado del mismo tamaño, no importa lo duro que la punta sea presionada contra la superficie.[13]​ Mientras las puntas SiN robustas son usadas, no hay necesidad de complicadas reacciones electrónicas, no hay necesidad de láser, no hay necesidad de cuatro foto-diodos, y no hay necesidad de un AFM.

Referencias

  1. ↑ Jaschke M.; Butt, H.-J. "Deposition of Organic Material by the Tip of a Scanning Force Microscope" Langmuir, 1995, 11, 1061-1064.
  2. ↑ Protein nanoarrays generated by DPN: 1 March 2002 Vol 295 Science
  3. ↑ Biologically Active Protein Nanoarrays Generated Using Parallel DPN: Adv. Mater. 2006, 18, 1133–1136
  4. ↑ Dip-Pen Nanolithography of Bioactive Peptides on collagen-terminated retinal membrane: Sistiabudi and Ivanisevic, Adv. Mater. 2008, 20, 1–4
  5. ↑ Dip-pen nanopatterning of photosensitive conducting polymer using a monomer ink: Su, Aslam, Fu, Wu, Dravid, Appl. Phys. Lett., Vol. 84, No. 21, 24 May 2004
  6. ↑ small 2008, 4, No. 10, 1785–1793
  7. ↑ Preparation of gas sensors via DPN: Tang and Shi, Sensors and Actuators B, 131 (2008) 379-383
  8. ↑ Surface Chemistry and Cell Biological Tools for the Analysis of Cell Adhesion and Migration: Pulsipher, Yousaf: ChemBioChem 2010, 11, 745 – 753
  9. ↑ Model substrates for studies of cell mobility: Current Opinion in Chemical Biology 2009, 13:1–8
  10. ↑ High-throughput DPN-based fabrication of Si nanostructures: Zhang, Amro, Disawal, Elghanian, Shile, Fragala Small, 2007, 3, No. 1, 81-85
  11. ↑ Nature Chemistry Vol 1, August 2009
  12. ↑ Mei, Y., Cannizzaro, C., Park, H., Xu, Q., Bogatyrev, S., Yi, K., Goldman, N., Langer, R. and Anderson, D., Cell-compatible, multicomponent protein arrays with subcellular feature resolution, Small, 4: 1600-1604, 2008
  13. ↑ Exceptions exist when printing to soft materials - J. of Applied Physics, 104, 014311 (2008)
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