基于太赫兹超材料的生物蛋白大规模纳米光刻技术研究

Proteins, including both naturally regenerated silk fibroin and genetically engineered spider silk, have great application potential in information sensing, micro/nano optics and electronics, and biomedical fields, due to their unique advantages such as excellent mechanical and optical properties, controllable degradation rate, etc. However, the lack of high-precision, high-speed, bio-compatible, and environmentally friendly bio-nanomanufacturing technique greatly limits the further applications of proteins in these areas. Therefore, this project proposes a massively parallel “green” nanolithography process using terahertz metamaterials and proteins, which can operate at high speed and low cost without sacrificing the resolution and vice versa. This is enabled by deploying an array of metamaterial resonators as the “lithography machine” consisting of thousands of nanoscale capacitive gaps. The terahertz electric field is localized inside the capacitive gaps of the metamaterials and can be enhanced by more than two orders of magnitude when on resonance, which can induce conformational transitions in protein films under the nanoscale capacitive gaps. By moving the “lithography machine” or protein film, complex protein nanostructures can be fabricated. During the lithography process, no hazardous chemicals are used or generated with only water as the developer and proteins (i.e., amino acids) as the breakdown byproducts, allowing high-throughput and “green” nanolithography at a low cost.

天然丝素蛋白、基因重组蛛丝蛋白等生物蛋白材料因其优异的机械性能和光学性能、可控的降解速率等独特优点，在信息传感、微纳光电以及生物医学等领域有巨大的应用潜力。当前限制生物蛋白在上述领域进一步发展的制约因素主要是缺乏生物兼容性佳、高精度、高速率、环境友好的生物纳米加工技术。因此，本项目提出基于太赫兹超材料的生物蛋白大规模纳米光刻技术，该技术可以在不牺牲加工精度的情况下实现生物蛋白纳米结构的低成本高速制备。它将带有纳米间隙的太赫兹超材料阵列作为“光刻机”，利用太赫兹超材料在谐振状态下纳米间隙中的电场局域增强效应，诱导纳米间隙下方的生物蛋白发生构象转变，通过移动太赫兹超材料阵列或者生物蛋白薄膜来实现对生物蛋白的纳米结构并行高速直写。整个光刻工艺过程中仅使用水作为显影剂，显影产物为蛋白质分解后产生的氨基酸，无需使用或产生任何危险化学物质，最终实现了大规模、低成本的绿色生物纳米光刻。

针对生物信息领域对新型微纳加工技术的需求，本项目开发出基于太赫兹超材料的生物蛋白大规模纳米光刻技术，该技术可以在不牺牲加工精度的情况下实现生物蛋白纳米结构的低成本高速制备。它将带有纳米间隙的太赫兹超材料阵列作为“光刻机”，利用太赫兹超材料在谐振状态下纳米间隙中的电场局域增强效应，诱导纳米间隙下方的生物蛋白发生构象转变，通过移动太赫兹超材料阵列或者生物蛋白薄膜来实现对生物蛋白的纳米结构并行高速直写。整个光刻工艺过程中仅使用水作为显影剂，显影产物为蛋白质分解后产生的氨基酸，无需使用或产生任何危险化学物质，最终实现了大规模、低成本的绿色生物纳米光刻。.进一步地，通过研究蚕丝蛋白和红外光在纳米尺度下的能量耦合-结构转变机理，结合高精度近场纳米红外技术，实现了蚕丝蛋白上微纳结构的写入。通过AFM纳米针尖将特定波长（对应蚕丝蛋白最佳吸收率）红外光聚焦在纳米尺度下，对蚕丝蛋白进行局部微观操纵，蚕丝蛋白被针尖作用的微区吸收红外能量后转变成具有一定流动性的玻璃相，在纳米探针的牵引下形成凸起的纳米柱，从而实现最小尺寸35 nm的蚕丝蛋白纳米图形化。对加工的纳米图案的表征可以用同一套系统完成，加工时需要足够的能量来诱导蚕丝蛋白形貌和构象转变，因此使用脉冲模式激光对蚕丝蛋白进行图案化；图案化完成后，对其表征时则使用相同的激光以连续波模式进行成像。.项目结题时，在国际知名期刊上发表标注本项目资助的高水平SCI 论文5 篇，包括1篇Nature Nanotechnology、1篇Advanced Materials、2篇Advanced Science和1篇Small，累计影响因子122.8，其中4篇被选为封面文章；在本领域国际顶级会议IEEE MEMS和Transducers上发表会议论文5篇，其中3篇被选作口头报告、1篇提名最佳论文奖；获得授权国家发明专利2 项，其中1项实现专利转让。