Nanopor padat—yang dimensinya mencapai skala nanometer—telah menarik minat ilmiah yang signifikan. Strategi pembuatan terbagi menjadi dua keluarga utama: etching top-down (misalnya, sinar ion atau elektron terfokus) dan penyusutan bottom-up (misalnya, deposisi lapisan atom). Tinjauan ini menyelidiki evolusi teknik-teknik ini, menyoroti kemajuan utama dalam etching jejak ion, masker, larutan kimia, dan partikel energi tinggi, serta membahas aplikasi yang muncul dalam sequens DNA, analisis protein, dan konversi energi.
Latar Belakang
Nanopor padat dihargai karena ukuran pori yang dapat diatur, stabilitas mekanis yang kuat, dan kompatibilitas dengan sistem mikro-elektromekanis (MEMS). Mereka telah digunakan dalam sequens DNA, pemurnian air, deteksi protein, pemisahan nanopartikel, dan nanogenerator. Penyelidikan akan pembuatan yang murah dan throughput tinggi tetap menjadi prioritas.
Sejak karya pionir Jiali Li pada 2001 tentang nanopor silicon nitride melalui radiasi argon-ion, bidang ini telah terpecah menjadi metode top-down (sinar ion terfokus, sinar elektron energi tinggi) dan bottom-up (deposisi yang dibantu sinar elektron, deposisi lapisan atom). Substrat umum termasuk silicon nitride, silicon oxide, grafen, dan MoS₂, masing-masing menawarkan keuntungan yang berbeda dalam geometri pori dan ketahanan kimia.
Diameter pori nanopor dapat diatur dari sub-nanometer hingga beberapa ratus nanometer. Pembuatan pada film insulator memastikan stabilitas dalam lingkungan kimia yang keras dan suhu tinggi, namun performa akhir sangat tergantung pada proses yang dipilih.
Proses Pengembangan
Setelah karya seminal Li, para peneliti menyempurnakan teknik sinar energi tinggi untuk meningkatkan throughput dan mengurangi biaya. Gierak et al. menunjukkan pori 2,5-nm dalam film SiC tebal 20-nm menggunakan sistem Ga⁺ FIB canggih, sedangkan litografi ion helium telah mencapai pori 1,3-nm dalam Si₃N₄. Upaya paralel difokuskan pada metode konvensional—pengirisan nanocarbon, etching masker dengan aluminium oksida anodik (AAO) atau nanosphere, dan litografi nanoimprint—untuk memungkinkan produksi massal tanpa peralatan sinar yang mahal.
Peta jalan pembuatan nanopor padat
Teknologi Pembuatan
Metode Etching Jejak Ion
Etching jejak ion mengeksploitasi tingkat etching yang lebih tinggi dalam jejak yang diiradiasi ion untuk membuat pori dalam polimer dan oksida. Misalnya, Zhang et al. menghasilkan pori silicon nitride 40-nm menggunakan ion Br⁺ 81-Mev. Karya terbaru oleh Harrell et al. menyusutkan pori 2-nm melalui deposisi nanogold, meskipun metode ini menderita porositas yang terbatas dan memerlukan akselerator yang mahal.
Metode Etching Masker
Pendekatan berbasis masker menggunakan AAO, nanosphere, atau templat nanoimprint. Masker AAO menyediakan spasi pori yang seragam namun rapuh dan boros. Masker nanosphere, digabungkan dengan etching ion reaktif, menghasilkan pori segitiga dengan densitas tinggi, namun ukurannya terbatas oleh diameter sphere. Litografi nanoimprint menawarkan templat yang dapat digunakan kembali dan resolusi sub-5-nm, namun memerlukan patterning yang presisi tinggi dan dapat menderita aus templat.
Persiapan nanopor padat dengan metode etching masker. (a) Nanopor padat GaAs [25], (b) nanopor silicon [33], dan (c) nanopor aluminium dengan bentuk berbeda [34]
Metode Etching Larutan Kimia
Etching elektrokimia dalam larutan KOH atau HF dapat menghasilkan nanopor silicon dan silicon nitride pori dengan kontrol yang tepat atas ukuran dan lokasi pori. Park et al. mempioneer pori silicon yang kompatibel dengan sequens DNA dengan menggabungkan litografi, etching KOH, dan breakthrough yang dikontrol feedback. Kerja selanjutnya oleh Pedone et al. menggunakan litografi sinar elektron dan pemantauan arus real-time untuk mencapai pori sub-10-nm dengan distorsi bentuk minimal.
Persiapan nanopor padat dengan etching larutan kimia. (a) Nanopor silicon double-walled [38], (b) nanopor silicon [27], dan (c) nanopor silicon yang dapat dikontrol dengan tinggi [28]
Metode Etching dan Penyusutan Partikel Energi Tinggi
Sinar energi tinggi (misalnya, Ga⁺ FIB, sinar elektron TEM, ion helium) memungkinkan patterning nanopor langsung, namun diameter bawaan sering melebihi 10 nm. Strategi penyusutan—deposisi lapisan atom alumina atau titanium oksida, migrasi yang dibantu sinar elektron—berhasil mengurangi pori hingga 2 nm atau kurang. Litografi ion helium, misalnya, mencapai pori Si₃N₄ 1,3-nm dalam film 30-nm, menawarkan keseimbangan antara resolusi dan throughput.
Metode etching dan modifikasi partikel energi tinggi untuk pembuatan nanopor padat. (a Penyusutan ALD, (b) kalibrasi sendiri tepi nanopor, dan (c) etching nanopor ion helium
Metode Nanopor Terbatas Elektrokimia
Nanopor terbatas elektrokimia (ECNPs) memanfaatkan reaksi elektrokimia lokal, peningkatan optik, dan kontrol transportasi massa dalam saluran asimetris. ECNPs memungkinkan studi beresolusi tinggi dan berwaktu responsif tentang elektrokimia sel tunggal dan memiliki potensi untuk biosensing dan penangkapan energi.
Aplikasi
Sequens DNA
Sequens nanopor, pertama kali dikonseptualisasikan oleh kelompok Kasianowicz pada 1996, menawarkan alternatif polymerase-bebas dan throughput tinggi terhadap sequens Sanger. Nanopor padat menyediakan saluran yang kuat dan dapat diatur yang mengurangi artefak pause-and-reverse yang umum pada pori biologis. Kemajuan terbaru, seperti deteksi paralel fluoresensi melalui total internal reflection (TIR) dan pembacaan arus ion simultan, menjanjikan throughput skala mikrodetik dan resolusi spasial sub-nanometer, meski tantangan tetap ada dalam mengontrol kecepatan translokasi dan meningkatkan rasio sinis-ke-bising.
Deteksi paralel fluoresensi total internal reflection (FTIR) dari sequens DNA [58]. a Diagram skematis. b Peta sinyal sinyal optik dan arus ion yang terdeteksi dalam eksperimen
Deteksi Protein
Nanopor padat telah digunakan untuk menyelidiki konformasi, dinamika, dan interaksi protein. Kerja awal mendeteksi serum albumin sapi dan β-laktoglobulin, mengungkapkan unfolding yang diinduksi medan listrik. Studi selanjutnya menggunakan pori silicon nitride yang dietch FIB dengan diameter 20 nm dan 3 nm menunjukkan kemampuan untuk membedakan keadaan lipat dan tidak lipat serta membedakan tipe tautan ubiquitin. Amplifier bandwidth tinggi dan pori HfO₂ tipis telah memperluas kemampuan ini ke enzim dan biomolekul yang lebih besar, membuka jalan untuk biosensing molekula tunggal real-time.
Konversi Energi
Mikro-perangkat berbasis nanopor mengubah energi mekanis, kimia, atau gradien salinitas lingkungan menjadi listrik dengan bising minimal dan nol emisi CO₂. Misalnya, saluran nanopor padat telah menunjukkan nanogenerator, konverter solar-listrik, dan penampung energi gradien salinitas dengan densitas daya yang setara dengan membran pertukaran kation komersial. Ketahanan kimia intrinsik, stabilitas termal, dan selektivitas ionik yang dapat diatur dari nanopor padat menjadikannya ideal untuk sistem konversi energi skalabel dan daya rendah.
Kesimpulan
Tinjauan ini menyoroti evolusi cepat pembuatan nanopor padat—dari litografi sinar energi tinggi hingga etching larutan kimia dan penahanan elektrokimia—dan menekankan dampak transformatifnya pada sequens DNA, analisis protein, dan nanogenerator. Kemajuan berkelanjutan menuju pembuatan yang hemat biaya dan throughput tinggi akan memperluas adopsi nanopor padat di bidang bioteknologi, diagnostik, dan teknologi energi.
