Nøglen til masseproduktion af nanomaterialer

Nanopartikler - bittesmå partikler 100, 000 gange mindre end bredden af ​​et hårstrå - kan findes i alt fra formuleringer til medicinafgivelse til forureningskontrol på biler til HD-tv-apparater. Med særlige egenskaber afledt af deres lille størrelse og efterfølgende øgede overfladeareal, de er afgørende for industrien og videnskabelig forskning.

De er også dyre og vanskelige at lave.

Nu, forskere ved USC har skabt en ny måde at fremstille nanopartikler på, som vil transformere processen fra en omhyggelig, batch-for-batch slid til en storstilet, automatiseret samlebånd.

Metoden, udviklet af et team ledet af Noah Malmstadt fra USC Viterbi School of Engineering og Richard Brutchey fra USC Dornsife College of Letters, Kunst og Videnskab, blev udgivet i Naturkommunikation den 23. feb.

Overveje, for eksempel, guld nanopartikler. De har vist sig at være i stand til nemt at trænge igennem cellemembraner uden at forårsage skade - en usædvanlig bedrift, givet, at de fleste penetrationer af cellemembraner af fremmedlegemer kan beskadige eller dræbe cellen. Deres evne til at glide gennem cellens membran gør guldnanopartikler til ideelle leveringsanordninger til medicin til raske celler, eller dødelige doser af stråling til kræftceller.

Imidlertid, et enkelt milligram guld-nanopartikler koster i øjeblikket omkring $80 (afhængigt af størrelsen af ​​nanopartiklerne). Det placerer prisen på guld nanopartikler til $80, 000 pr. gram - mens et gram ren, råguld koster omkring $50.

"Det er ikke guldet, der gør det dyrt, " sagde Malmstadt. "Vi kan lave dem, men det er ikke sådan, at vi billigt kan lave en 50 gallon tromle fuld af dem."

Lige nu, processen med at fremstille en nanopartikel involverer typisk, at en tekniker i et kemilaboratorium blander et parti kemikalier i hånden i traditionelle laboratoriekolber og bægre.

Brutchey og Malmstadts nye teknik er i stedet afhængig af mikrofluidik - teknologi, der manipulerer små dråber væske i smalle kanaler.

"For at gå i stor skala, vi skal gå små, " sagde Brutchey. Virkelig lille.

Holdet 3D-printede rør med en diameter på omkring 250 mikrometer - som de mener er de mindste, fuldt lukkede 3D-printede rør hvor som helst. Til reference, dit gennemsnitsstore støvkorn er 50 mikrometer bredt.

De byggede derefter et parallelt netværk af fire af disse rør, side om side, og kørte en kombination af to ikke-blandende væsker (som olie og vand) gennem dem. Mens de to væsker kæmpede for at komme ud gennem åbningerne, de pressede små dråber af. Hver af disse dråber fungerede som en kemisk reaktor i mikroskala, hvori materialer blev blandet og nanopartikler blev genereret. Hvert mikrofluidrør kan skabe millioner af identiske dråber, der udfører den samme reaktion.

Denne form for system har været forudset i fortiden, men det har ikke været i stand til at blive opskaleret, fordi den parallelle struktur betød, at hvis et rør satte sig fast, det ville forårsage en ringvirkning af skiftende tryk langs sine naboer, slår hele systemet ud. Tænk på det som at miste et enkelt julelys i en af ​​de gammeldags tråde - tab en, og du mister dem alle.

Brutchey og Malmstadt omgik dette problem ved at ændre geometrien af ​​selve rørene, forme krydset mellem rørene, således at partiklerne kommer ud i en ensartet størrelse, og systemet er immunt over for trykændringer.

Malmstadt og Brutchy samarbejdede med Malancha Gupta fra USC Viterbi og USC kandidatstuderende Carson Riche og Emily Roberts.