你听说过给虫子“文身”吗？

西湖大学仇旻团队最近干了一件“异想天开”的事——他们利用冰刻技术，在显微镜下为一只身长仅0.5毫米的水熊虫“雕刻”了波点“文身”。这项成果不仅登上了《自然》杂志4月的“最佳科学图片”，还被《科学》《发现》等37家海外科学媒体争相报道。

这场微观世界“艺术革命”中呈现出精妙的微纳加工，为微生物传感、仿生器件和活体微型机器人等领域开辟了新路径。

冰刻引发奇想

传统的电子束光刻，是制造芯片的核心技术之一。

它的原理是先将一种叫“光刻胶”的材料均匀地涂抹在基片上，再以可以输出高速电子流的电子束为“刻刀”，在光刻胶上刻制需要的图案，并用化学试剂洗掉图案部分的光刻胶，得到一个“镂空”的模具。接着，用金属等材料“填”满模具，再用化学试剂洗掉所有光刻胶，最终形成我们所见的电阻器、电容器、晶体管等电子元件。

在这一过程中，光刻胶是尤为关键的材料，它对涂抹方式和被涂抹的材料都有极为严格的要求和限制。

于是，锐意进取的科学家们开始寻找替代材料——一篇提出“电子可以在冰上划出纳米级别线条”的文章给予了仇旻灵感，一个关于“冰刻”的研究计划自此萌发。2012年开始，仇旻团队开始尝试用“冰”代替光刻胶，到2018年研发出国内首台“冰刻”系统。

在-140℃左右的真空环境下，“冰”能够在原材料表面形成“纳米薄膜”，并经过电子束的加工可以做出简单的三维结构。同时由于“冰”的独特性，电子束可以直接将“冰”气化，规避了用化学试剂洗胶的风险和污染。

两年后，“冰刻”系统优化至2.0版本，仇旻团队成功在头发丝千分之一粗细的尺度上，完成了“冰刻加工”。一次组会，研究员赵鼎提出：“如果用‘冰刻’技术在蚂蚁头上刻个‘王’字，它回到蚁穴后会怎么样？”

这引起了团队所有人的兴趣，但对于精确至微纳米尺度的工艺加工而言，蚂蚁还是稍显庞大。体长在0.1毫米至1.5毫米内，能在-273℃到151℃的极端环境中存活，号称“地表最强生物”的水熊虫进入了研究团队的视野。

“水熊虫是我们觉得成功率最高的生物。”这项研究的第一作者、年仅27岁的西湖大学博士研究生杨治蓉说。

“雕虫”并非小技

最初在杨治蓉眼里，为水熊虫“文身”，“好玩”多于“挑战”。但活体实验的巨大难度，让她在第一步就卡住了：

想要展开实验，首先得诱导水熊虫进入隐生状态。此时的水熊虫像是“假死”，代谢几乎停止，身体紧紧缩成一团，以便于给它“裹”上一层特制的纳米冰膜，进行电子束雕刻。待电子束将指定区域的纳米冰膜转变为常温稳定的固体图案“刻”在水熊虫身上，再将水熊虫放回适宜环境，等待其苏醒。

然而在实操中，杨治蓉发现水熊虫其实非常脆弱，“脱水太快、氧气不足、空气流动过猛都会导致实验失败。”

一波波“死于非命”的水熊虫令她反复试验、反复崩溃。直到2023年底，一个平凡的午后，透过显微镜，杨治蓉看到水熊虫缓缓舒展蜷缩的身体，短小的四肢划出浅浅的波纹。

“终于活过来了！”可惜，她很快又发现，虫子活了，“文身”没了。

“后来发现是我们没有采用合适的观测器。”杨治蓉解释，因为水熊虫是碳基生物，碳元素含量高，同时“文身”也含有大量碳，在普通观测器下难以显示二者的区别。于是，为了观测“文身”，杨治蓉需要将水熊虫进行化学固定和干燥，之后用扫描电子显微镜进行观察。

新的问题产生了：水熊虫只有0.5毫米，并且经过固定和干燥后十分脆弱，如何在转移过程中不损伤到虫子和“文身”呢？

“我们花了三个月给它搭建了一个‘安全座椅’。”杨治蓉和学校显微平台的老师一起想出一个办法：先用滤纸将水熊虫包成一个小包，等待干燥后再从小包取出来。整个过程都需要操作人员盯着显微镜进行操作，一不留神、手一抖虫子就可能“不见”或者“四分五裂”。“现在我的手稳当得堪比外科医生。”杨治蓉笑着说。

电子显微镜下，“文身师”杨治蓉拍下了“世界上最小的‘文身’作品”。紧接着，她和团队证明这种为水熊虫量身定制的“碳质文身”即使经过拉伸、溶剂浸泡和干燥处理，依然牢固如初。

纳米丈量世界

给虫子“文身”有什么现实意义？

其实，这个问题早在5年前就被抛给了仇旻团队。当时，仇旻便表示，冰刻技术不是一个热门的研究方向，全世界做冰刻的实验室也仅有两个。“但这是一项令人激动的新技术。这样的探索，有可能带来很大的突破，也有可能什么都没有，但这正是基础研究的意义和乐趣所在。”

正如，诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼曾以诗意的远见预言微观世界的无限可能：在针尖上镌刻整部百科全书的设想。如今梦想照进了现实，毫不起眼的水熊虫登上了《自然》网页头条，科学与想象力的碰撞迸发出绚丽的火花。海外科学媒体把这项将半导体制造与生物学结合的突破性技术视为打开生物微观世界的新大门，或将开启纳米级医疗设备甚至活体微型机器人的新时代。

“你可以畅想任何可以借助这个研究成果完成的事情。”杨治蓉对此充满信心与希望。比如可以用“冰”刻出更复杂的图案，比波点更复杂的光栅，甚至有特定功能的电路。

未来，“科幻”也将照进现实：科学家在细菌表面做上感应元件，制作成微生物传感器实时监测体内病变或环境毒素；通过磁性金属文身，控制微生物的运动轨迹，将药物送达靶点；甚至可以在蜜蜂的复眼表面雕出纳米级光栅，研究昆虫如何感知紫外线……

1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字；1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”；1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字……回想纳米技术诞生以来，科学家们留下了各种“微观涂鸦”。它们推动着人类突破技术的边界，向微观世界的更深远处探索。

而在仇旻团队的故事里，那只水熊虫或许才是这个故事最伟大的主角——它以渺小之躯，承载着人类对未来的宏大梦想。“我觉得可以叫它‘无名’。”杨治蓉思索一番说道，“感谢那些无名帮助过她的人，也感谢这只无名的小虫。”