Nanovidenskabsfolk udvikler det ultimative opdagelsesværktøj

Genchippens opdagelseskraft kommer til nanoteknologien. Et forskningshold fra Northwestern University er ved at udvikle et værktøj til hurtigt at teste millioner og måske endda milliarder eller flere forskellige nanopartikler på én gang for at finde den bedste partikel til en bestemt anvendelse.

Når materialer miniaturiseres, deres egenskaber - optiske, strukturel, elektriske, mekanisk og kemisk - forandring, giver nye muligheder. Men at bestemme hvilken nanopartikelstørrelse og -sammensætning der er bedst til en given applikation, såsom katalysatorer, biodiagnostiske etiketter, lægemidler og elektronisk udstyr, er en skræmmende opgave.

"Som videnskabsmænd, vi er kun lige begyndt at undersøge, hvilke materialer der kan laves på nanoskalaen, "sagde Northwestern's Chad A. Mirkin, en af ​​verdens førende inden for nanoteknologisk forskning og dens anvendelse, der ledede undersøgelsen. "Screning af en million potentielt nyttige nanopartikler, for eksempel, kan tage flere liv. Når den er optimeret, vores værktøj vil gøre det muligt for forskere at vælge vinderen meget hurtigere end konventionelle metoder. Vi har det ultimative opdagelsesværktøj."

Ved hjælp af en nordvestlig teknik, der aflejrer materialer på en overflade, Mirkin og hans team fandt ud af, hvordan man laver kombinatoriske biblioteker af nanopartikler på en meget kontrolleret måde. (Et kombinatorisk bibliotek er en samling af systematisk varierede strukturer kodet på specifikke steder på en overflade.) Deres undersøgelse vil blive offentliggjort den 24. juni af tidsskriftet Videnskab .

Nanopartikelbibliotekerne er meget som en genchip, Mirkin siger, hvor tusindvis af forskellige pletter af DNA bruges til at identificere tilstedeværelsen af ​​en sygdom eller toksin. Tusindvis af reaktioner kan udføres samtidigt, giver resultater på få timer. Tilsvarende Mirkin og hans teams biblioteker vil gøre det muligt for videnskabsmænd hurtigt at fremstille og screene millioner til milliarder af nanopartikler af forskellig sammensætning og størrelse for ønskelige fysiske og kemiske egenskaber.

"Evnen til at lave biblioteker af nanopartikler vil åbne et nyt felt af nanokombinatorik, hvor størrelse – på en skala der betyder noget – og sammensætning bliver afstembare parametre, " sagde Mirkin. "Dette er en kraftfuld tilgang til opdagelsesvidenskab."

Mirkin er George B. Rathmann-professor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences og stiftende direktør for Northwesterns International Institute for Nanotechnology.

"Jeg sammenligner vores kombinatoriske nanomønstertilgang til at give en bred palet af dristige farver til en kunstner, der tidligere havde arbejdet med en håndfuld kedelige og blege sorte, hvide og grå pasteller, "sagde medforfatter Vinayak P. Dravid, Abraham Harris professor i materialevidenskab og teknik ved McCormick School of Engineering.

Brug af fem metalliske elementer - guld, sølv, kobolt, kobber og nikkel - Mirkin og hans team udviklede en række unikke strukturer ved at variere hver elementær kombination. I tidligere arbejde, forskerne havde vist, at partikeldiameter også bevidst kan varieres på skalaen 1- til 100 nanometer.

Nogle af kompositionerne kan findes i naturen, men mere end halvdelen af ​​dem har aldrig eksisteret før på Jorden. Og når afbildet ved hjælp af højeffektive billedbehandlingsteknikker, nanopartiklerne ser ud som en række farverige påskeæg, hvert kompositionselement bidrager til paletten.

For at bygge de kombinatoriske biblioteker, Mirkin og hans team brugte Dip-Pen Nanolithography, en teknik udviklet på Northwestern i 1999, at deponere individuelle polymer "prikker på en overflade, " hver fyldt med forskellige metalsalte af interesse. Forskerne opvarmede derefter polymerprikkerne, reducerer saltene til metalatomer og danner en enkelt nanopartikel. Størrelsen af ​​polymer prikken kan varieres for at ændre størrelsen på den sidste nanopartikel.

Denne kontrol af både størrelse og sammensætning af nanopartikler er meget vigtig, Mirkin understregede. Efter at have demonstreret kontrol, forskerne brugte værktøjet til systematisk at generere et bibliotek med 31 nanostrukturer ved hjælp af de fem forskellige metaller.

For at hjælpe med at analysere de komplekse grundstofsammensætninger og størrelse/form af nanopartiklerne ned til subnanometer skalaen, holdet henvendte sig til Dravid, Mirkins mangeårige ven og samarbejdspartner. Dravid, stiftende direktør for Northwesterns NUANCE Center, bidrog med sin ekspertise og de avancerede elektronmikroskoper fra NUANCE til rumligt at kortlægge sammensætningsbanerne for de kombinatoriske nanopartikler.

Nu, videnskabsmænd kan begynde at studere disse nanopartikler samt bygge andre nyttige kombinatoriske biblioteker bestående af milliarder af strukturer, der subtilt adskiller sig i størrelse og sammensætning. Disse strukturer kan blive de næste materialer, der driver brændselsceller, effektivt høste solenergi og omdanne den til nyttige brændstoffer, og katalysere reaktioner, der tager råvarer med lav værdi fra olieindustrien og omdanner dem til produkter af høj værdi, der er nyttige i den kemiske og farmaceutiske industri.