JP2017534474A - 2次元および3次元構造物内にナノスケールおよびマイクロスケール物体をアセンブリする方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれている、2014年11月11日に出願した米国仮出願第62/077,965号、名称「METHOD OF ASSEMBLING NANOSCALE AND MICROSCALE OBJECT IN TWO− AND THREE−DIMENSIONAL STRUCTURES AND A SYNTHETIC GECKO ADHESIVE STRUCTURE MADE USING THE METHOD」の米国特許法第119条(e)項に基づく優先権を主張するものである。
誘導流体アセンブリ(DFA)は、異なる方法によって作られる構造物を一緒にアセンブリすることを可能にするアセンブリ方法である。これは、平面マイクロ/ナノファブリケーション(planar micro/nanofabrication)、マイクロマシニング、3Dプリンティング、および他のファブリケーションモダリティ(fabrication modality)と組み合わされ得る。DFAは、位置および配向を制御しつつ均質または不均質な原材料を基板上に、または他の原材料要素に高速に配置することを可能にする。DFAの利点は、個別のマイクロ/ナノコンポーネントを加工し、それらを永久結合された機能性の機械的、電気的、熱的、流体的、および/または熱システムにアセンブリするために最適な方法を使用することができるという点にある。いくつかの実装において、DFAアセンブリは高速である、すなわち、アセンブリ時間が2分間の場合の100mmのウェハ上の5μmの原材料間隔は、1秒間に250万個の物体が結合される速度に対応する。原材料は小さければ小さいほど、アセンブリ速度はなおいっそう上がる。
本明細書で開示されている2Dおよび3D構造物を形成する際に利用されるマイクロスケール原材料要素は、たとえば、ケイ素、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、SU−8フォトレジストもしくは他の無機もしくは有機ポリマー、生物由来の材料、たとえば、キトサン、またはたとえば、所望の機械的、熱的、光学的、電気的、磁気的、および/または化学的特性に基づき選択された他の材料を含む材料から形成され得る。
「クリックケミストリー」は、小さな単位を一緒に接合することによって物質を素早く確実に生成するために使用される化学合成の種類に対する用語である。クリックケミストリーは、本質的に例に従う生成物を生成する一方法を記述するものであり、これはまた小さなモジュール単位を接合することによって物質を生成する。この用語は、1998年にK. Barry Sharplessによって作り出され、2001年にThe Scripps Research InstituteのSharpless、Hartmuth Kolb、およびM.G. Finnによって初めて完全に記述された。
医療診断分野において、1つまたは複数の病原体に特異的なDNA鎖の存在を感知することによって液状試料中の1つまたは複数の病原体(たとえば、ウイルスもしくは細菌)の存在を検出することを可能にするDNA選択性センサーが開発されている。様々なDNA選択性センサーは、注目している病原体のDNAに相補的なDNA鎖の一部が付着しているセンサー要素、たとえば、細い金線または他のナノ構造物を含む。センサー要素に付着するDNA鎖に相補的な順序の塩基単位(A、C、G、T)を有する病原体のDNA鎖がセンサー要素に付着しているDNA鎖と接触したときに、2本のDNA鎖は結合して一緒になり、検出され得るセンサー要素上の機械的または電気的変化を発生し、病原体の存在の指示を提供する。
本明細書で開示されているようなDFA/クリックケミストリーアセンブリプロセスは、大きい(ウェハスケール以上の)合成生体模倣ヤモリ粘着剤構造物(synthetic biomimetic gecko adhesive structure)(剛毛)をアセンブリするために利用され得る。
15 表面
20 流体
25 自由端
30 第2の液体
40 構造物
200 DFAプロセス
220 第1のフォトレジスト層
305 シリコンウェハ
310 誘電体
315 層
320 フォトレジスト
325 マイクロスケール原材料要素
325A、325B 端部
330 フォトレジスト
335 端面
340 粘着材料
345 エッチング剤
505 半導体ウェハ
510 構造物
515 表面
520 鋳型
525 材料
530 インプレッション
540 表面
545 端部分
550 端部分
600 プロセス
705 基板
710 溶液
715、720 DNA鎖
725 結合メカニズム
本出願は、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれている、2014年11月11日に出願した米国仮出願第62/077,965号、名称「METHOD OF ASSEMBLING NANOSCALE AND MICROSCALE OBJECT IN TWO− AND THREE−DIMENSIONAL STRUCTURES AND A SYNTHETIC GECKO ADHESIVE STRUCTURE MADE USING THE METHOD」の米国特許法第119条(e)項に基づく優先権を主張するものである。
本発明は、国防高等研究計画局(Defense Advanced Research Projects Agency)によって授与されたN66001−11−C−4101の下での政府支援によってなされた。政府は本発明において一定の権利を有している。
Claims (31)
- マイクロスケール物体のアセンブリの方法であって、
基板の表面上に第1の機能性部位のパターンを形成するステップと、
前記基板の前記表面を、第1のマイクロスケール原材料要素の第1の部分上で、前記第1の機能性部位に相補的である第2の機能性部位により機能性を付与された前記第1のマイクロスケール原材料要素を含む第1の液体懸濁液と接触させるステップと、
前記第1の液体懸濁液中の前記第1のマイクロスケール原材料要素の前記第1の部分を前記基板の前記表面とアラインメントさせるステップと、
前記第2の機能性部位を前記第1の機能性部位に結合して前記基板の前記表面上に前記第1のマイクロスケール原材料要素の第1の微細構造パターンを形成することを円滑にするステップとを含む方法。 - 前記第1のマイクロスケール原材料要素の第2の部分は、第3の機能性部位により機能性を付与され、前記方法は、
前記基板の前記表面上の前記第1のマイクロスケール原材料要素の前記第1の微細構造パターンを、第2のマイクロスケール原材料要素の第1の部分上で、前記第3の機能性部位に相補的である第4の機能性部位により機能性を付与された前記第2のマイクロスケール原材料要素を含む第2の液体懸濁液と接触させるステップと、
前記第2の液体懸濁液中の前記第2のマイクロスケール原材料要素の前記第1の部分を前記第1のマイクロスケール原材料要素の前記第2の部分とアラインメントさせるステップと、
前記第4の機能性部位を前記第3の機能性部位に結合して前記基板の前記表面上にマイクロスケール物体の前記アセンブリを形成することを円滑にするステップとをさらに含む請求項1に記載の方法。 - マイクロスケール物体の前記アセンブリを第3のマイクロスケール原材料要素を含む第3の液体懸濁液と接触させるステップと、
前記第3の液体懸濁液中の前記第3のマイクロスケール原材料要素の第1の部分を前記第2のマイクロスケール原材料要素の第2の部分とアラインメントさせ位置決めするステップと、
相補的クリック化学基により第3のマイクロスケール原材料要素の前記第1の部分を前記第2のマイクロスケール原材料要素の前記第2の部分に結合することを円滑にするステップとをさらに含む請求項2に記載の方法。 - 第3のマイクロスケール原材料要素の第1の部分を前記第2のマイクロスケール原材料要素の第2の部分とアラインメントさせ位置決めするステップは、誘電泳動場により第3のマイクロスケール原材料要素の第1の部分を前記第2のマイクロスケール原材料要素の第2の部分とアラインメントさせ位置決めするステップを含む請求項3に記載の方法。
- マイクロスケール物体の前記アセンブリをカーボンナノチューブ、ナノロッド、およびナノ粒子のうちの1つまたは複数を含む第4の液体懸濁液と接触させるステップと、
前記第4の液体懸濁液中のカーボンナノチューブ、ナノロッド、およびナノ粒子のうちの前記1つまたは複数の第1の部分を前記第3のマイクロスケール原材料要素の第2の部分とアラインメントさせ位置決めするステップと、
相補的クリック化学基によりカーボンナノチューブ、ナノロッド、およびナノ粒子のうちの前記1つまたは複数を前記第3のマイクロスケール原材料要素の前記第2の部分に結合するステップとをさらに含む請求項3に記載の方法。 - カーボンナノチューブ、ナノロッド、およびナノ粒子のうちの前記1つまたは複数の前記第1の部分を前記第3のマイクロスケール原材料要素の前記第2の部分とアラインメントさせ位置決めするステップは、誘電泳動場によりカーボンナノチューブ、ナノロッド、およびナノ粒子のうちの前記1つまたは複数の前記第1の部分を前記第3のマイクロスケール原材料要素の前記第2の部分とアラインメントさせ位置決めするステップを含む請求項5に記載の方法。
- i)前記第1のマイクロスケール原材料要素の前記第1の部分を前記基板に結合するステップ、ii)前記第1のマイクロスケール原材料要素の前記第2の部分を前記第2のマイクロスケール原材料要素の前記第1の部分に結合するステップ、iii)前記第3のマイクロスケール原材料要素の前記第1の部分を前記第2のマイクロスケール原材料要素の前記第2の部分に結合するステップ、ならびにiv)カーボンナノチューブ、ナノロッド、およびナノ粒子のうちの前記1つまたは複数を前記第3のマイクロスケール原材料要素の前記第2の部分に結合するステップのうちの少なくとも2つのステップを同時実行するステップを含む請求項5に記載の方法。
- 前記基板への電気的および光学的経路のうちの1つを、前記第1のマイクロスケール原材料要素、前記第2のマイクロスケール原材料要素、前記第3のマイクロスケール原材料要素、ならびにカーボンナノチューブ、ナノロッド、およびナノ粒子のうちの前記1つまたは複数のうちの1つを通じて形成するステップを含む請求項5から7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第3の機能性部位は、前記第1の機能性部位と同じである請求項2に記載の方法。
- 前記第4の機能性部位は、前記第2の機能性部位と同じである請求項9に記載の方法。
- 前記第3の機能性部位は、前記第2の機能性部位と同じである請求項2に記載の方法。
- 前記第4の機能性部位は、前記第1の機能性部位と同じである請求項11に記載の方法。
- 前記第2の機能性部位を前記第1の機能性部位に結合することを円滑にするステップは、前記第2の機能性部位と前記第1の機能性部位との間の結合を、前記第2の機能性部位および/または前記第1の機能性部位への熱エネルギーの印加、前記第2の機能性部位および/または前記第1の機能性部位への放射線の照射のうちの1つによって開始するステップと、前記第2の機能性部位および/または前記第1の機能性部位を化学触媒に曝すステップとを含む請求項1に記載の方法。
- リンカー分子を有する前記第1の機能性部位を、前記基板の前記表面に結合されている金属接着要素に結合して、前記基板の前記表面上に前記第1の機能性部位の前記パターンを形成するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
- リンカー分子を有する前記第2の機能性部位を前記第1のマイクロスケール原材料要素の前記第1の部分に結合されている金属接着要素に結合するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 複数の前記第2のマイクロスケール原材料要素を前記第1のマイクロスケール原材料要素の前記第2の部分の各々に結合することを円滑にするステップをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記第2の機能性部位を前記第1の機能性部位に結合することを円滑にするステップは、第1のクリック化学基を相補的クリック化学基に結合することを円滑にするステップを含む請求項1に記載の方法。
- 前記第2の機能性部位を前記第1の機能性部位に結合することを円滑にするステップは、第1のDNA鎖を相補的DNA鎖に結合することを円滑にするステップを含む請求項1に記載の方法。
- 追加の結合メカニズムにより前記第1のマイクロスケール原材料要素を前記基板の前記表面に結合するステップをさらに含む請求項18に記載の方法。
- 結果として合成ヤモリ粘着剤が形成される請求項1から19のいずれか一項に記載の方法。
- マイクロスケール物体のアセンブリであって、
クリック化学結合により繰り返しパターンで基板の表面に結合されている第1の部分を有する複数の第1のマイクロスケール原材料要素と、
前記複数の第1のマイクロスケール原材料要素の第2の部分に結合されている第1の部分を有する複数の第2のマイクロスケール原材料要素とを備えるマイクロスケール物体のアセンブリ。 - 前記第1のマイクロスケール原材料要素および前記第2のマイクロスケール原材料要素のうちの1つの少なくとも一部は、少なくとも約20:1の長さ:幅アスペクト比を有する請求項21に記載のアセンブリ。
- 各第1のマイクロスケール原材料要素に結合されている複数の前記第2のマイクロスケール原材料要素をさらに備える請求項21に記載のアセンブリ。
- クリック化学結合により前記複数の第2のマイクロスケール原材料要素の第2の部分に結合されている第1の部分を有する複数の第3のマイクロスケール原材料要素をさらに備える請求項21に記載のアセンブリ。
- 各第2のマイクロスケール原材料要素に結合されている複数の前記第3のマイクロスケール原材料要素をさらに備える請求項24に記載のアセンブリ。
- 前記第3のマイクロスケール原材料要素の各々に結合されている複数のカーボンナノチューブをさらに備える請求項25に記載のアセンブリ。
- 前記第1のマイクロスケール原材料要素は、前記第2のマイクロスケール原材料要素および前記第3のマイクロスケール原材料要素のうちの各々よりも大きい断面積を有する請求項24に記載のアセンブリ。
- 前記第2のマイクロスケール原材料要素は、前記第3のマイクロスケール原材料要素よりも大きい断面積を有する請求項27に記載のアセンブリ。
- 前記第1のマイクロスケール原材料要素は、約80μm2未満の断面積を有する請求項21に記載のアセンブリ。
- 1mm2当たり少なくとも約0.09Nの力の粘着強度を有するファンデルワールス力を介してガラス表面に付着するように構成される請求項21から29のいずれか一項に記載のアセンブリ。
- 合成ヤモリ粘着剤を備える請求項21から30のいずれか一項に記載のアセンブリ。
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