Store resultater fra små partikler

At skabe og manipulere partikler lavet af nogle få atomer er alt sammen i en dags arbejde for Dr. Richard Tilley.

Tilley, en lektor ved Victoria's School of Chemical and Physical Sciences, leder Skolens nanopartikel- og kvanteprikkergruppe.

Påvisning og behandling af kræftsvulster, at finde bæredygtige energiløsninger og skabe nye produkter til brug i medicinal- og bilindustrien er blot nogle af de applikationer, koncernen fokuserer på.

Siden hans ankomst i 2003, Tilley, som også er hovedefterforsker ved MacDiarmid Institute for Advanced Materials and Nanotechnology, har drevet Victorias nanopartikelforskningskapacitet i front for den internationale indsats.

Hans forskergruppe er en af ​​de få i verden, der kan skabe nanopartikler i forskellige størrelser og former. Dets arbejde er støttet af store offentlige tilskud, og dets resultater offentliggøres regelmæssigt i verdens førende forskningstidsskrifter inden for kemi og nanoteknologi.

Gruppen omfatter master, ph.d. og postdoktorale forskere, samarbejdspartnere fra MacDiarmid Institute, andre New Zealand universiteter og forskningsinstitutter, og en række prestigefyldte internationale forskere.

Skønheden ved nanopartikler

Nanopartikler tiltrækker verdensomspændende videnskabelig interesse på grund af deres potentielle anvendelser, især inden for biomedicinsk forskning og industrielle processer.

"Vores mål er at bruge dem til gavn for videnskaben og ultimativt, menneskehed, " siger Tilley.

Nanopartiklers unikke egenskaber skyldes overfladearealet af deres struktur. Når størrelsen af ​​et materiale nærmer sig nanoskalaen, procentdelen af ​​atomer på overfladen stiger, fører til nye kemiske og fysiske egenskaber.

Richards gruppe bruger opløsningsfasekemiteknikker, der involverer dyrkning af små krystaller i en flydende opløsning, derefter tilføje, hvad der i det væsentlige er sæbemolekyler. Disse binder til partikeloverfladerne med forskellige styrker. Forskerne manipulerer derefter omhyggeligt størrelsen og formen, skabe tusindvis af visuelt slående nanopartikler, der reagerer på nye måder.

De unikke nanopartikelformer, som hans team er i stand til at skabe, spænder fra firkanter og femkanter til mere komplicerede spidse former, og besidder egenskaber som øget magnetisme og evnen til at udsende lys.

"Selvom jeg har gjort dette i mere end et årti, Jeg får stadig en kæmpe summen, hver gang jeg ser gennem mikroskopet på de nye partikler, vi kan skabe i laboratoriet, " siger Tilley.

Påvisning af tumorer gennem magnetiske nanopartikler

Et område med succes for gruppen er at producere højmagnetiske nanopartikler til brug i bioteknologiske applikationer, såsom påvisning af kræftvæv.

Sammen med professor Ian Hermans fra Malaghan Institute of Medical Research, Dr. Peter Ferguson på Wellington Public Hospital og forskere fra MacDiarmid Institute og Callaghan Innovation, holdet udviklede en ny form for jernmetalnanopartikler, der ikke ruster.

Partiklerne kan bruges som kontrastmiddel ved magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) scanninger, fremhæver kroppens indre strukturer og diagnosticerer helbredsproblemer." Som et resultat har vi været i stand til at forbedre ydeevnen med 100 procent og opdage kræfttumorer så små som to millimeter, " siger Tilley.

"En anden fordel er, at de magnetiske jernnanopartikler kan varmes op, mens de er i kroppen, så de har potentialet til at blive brugt til at dræbe kræftceller, samt opdage dem."

Et kommercielt fokus for koncernen er fremstilling af katalysatorer i køretøjer, som kontrollerer toksicitetsniveauerne af udstødningsgasser, mere effektiv og overkommelig.

"I en typisk konverter, kun omkring 10 procent af nanopartiklerne er faktisk aktive, og de er lavet af dyre metaller som platin og palladium, " siger Tilley. "Men, vores team har udviklet en ny sammensat nanopartikel, lavet af to forskellige elementer, der viser meget mere effektive katalytiske egenskaber."

State-of-the-art gadgets

Centralt i gruppens forskning er Victorias multimillion-dollar elektronmikroskopsuite, der rummer scannings- og transmissionselektronmikroskoper, der er afgørende for at undersøge nanomaterialer.

Transmissionselektronmikroskopet, central for arbejdet udført af Richards team, giver dem mulighed for at se størrelsen og formen af ​​de partikler, de skaber, og at kontrollere nanopartiklernes egenskaber.

Mikroskopet bruges til at undersøge ultratynde prøver, og er for nylig blevet opgraderet.

Med højere opløsning og et nyt digitalkamera, Tilley og hans team kan nu observere nanopartikler i skalaen 0,15 af en nanometer - det er omkring en milliardtedel af en meter.

"En spændende funktion er kameraets hurtigere billedhastighed, " siger Tilley. "Det giver os mulighed for at skabe og analysere videoer af nanopartikler, der bevæger sig og interagerer for første gang."

Scanningsmikroskoperne, bruges hovedsageligt af forskere i MacDiarmid Institute, er også blevet forbedret. Disse mikroskoper bruger en stråle af elektroner til at scanne overfladen af ​​en prøve, få information om dens form og sammensætning. En nylig tilføjelse er en kryovedhæftning, som hurtigt fryser prøver, låser deres indre strukturer i fast form og giver forskere mulighed for at tage billeder af bløde materialer og væsker.

Det var tidligere umuligt at se på bløde materialer, som er vigtige i biologisk forskning, fordi det høje vakuum i mikroskopet fik dem til at eksplodere.

Ser på fremtiden

Tilley siger, at mange studerende, der har arbejdet med forskergruppen for nanopartikler, er gået videre til prestigefyldte postdoktorstillinger og succesrige karrierer i nationale og internationale forskningsinstitutter og kommercielle virksomheder.

Et aktuelt fokus for gruppen, siger Richard, er kommercialisering af sine nanopartikler.

Sammen med ph.d.-uddannede Dr. Anna Henning, han har lanceret et online firma, Boutiq, at levere nanopartikler til internationale videnskabs- og ingeniørkunder. Tilley planlægger at vokse forretningen gennem Victorias kommercialiseringsarm, Vic Link.

"Jeg ved, hvor svært det er faktisk at skabe noget, der ender med at blive brugt af menneskeheden, men på samme tid, Jeg kan ikke forestille mig nogensinde at lave forskning, hvor jeg ikke troede, at resultatet ville være nyttigt."