Et designerværktøj til at konstruere komplekse nanopartikler

Et team af kemikere ved Penn State har udviklet en designers værktøjskasse, der lader dem bygge forskellige niveauer af kompleksitet ind i nanopartikler ved hjælp af en simpel, mix-and-match-proces. "Forskere inden for så forskellige områder som medicin, energi, og elektronik designer ofte komplekse nanoskala partikler, der forudsiges at have nyttige funktioner, " sagde Raymond E. Schaak, DuPont professor i materialekemi ved Penn State og leder af forskerholdet. "Men at lave dem i laboratoriet er ofte flaskehalsen. Vores strategi kan være med til at strømline denne proces." Et papir, der beskriver holdets strategi og det store bibliotek af partikler, som de nu kan lave, vises den 4. maj, 2018 i bladet Videnskab .

Forskere og ingeniører bliver bedre og bedre til at designe nanopartikler til at spalte vand ved hjælp af sollys, at diagnosticere og behandle kræft, og løse andre vigtige problemer. Mange af disse 'designer' partikler skal omfatte forskellige typer halvledere, katalysatorer, magneter, og andre materialer til at fungere, alt imens de opfylder strenge krav, der involverer deres størrelse og form.

"At syntetisere disse komplekse partikler bliver en virkelig svær udfordring, fordi hver enkelt af disse partikler kræver en kraftfuld indsats for at forberede sig, og det er ikke altid praktisk, " sagde Schaak. "Vi ønskede at tænke på en mere modulær måde for at gøre denne proces lettere."

Forskerne begynder med det, de kalder førstegenerationspartikler, der har nanometerskaladimensioner og ligner virus i størrelse. Disse er enkle, kobbersulfidkugler, der er nemme at fremstille, stænger, og plader, der tjener som springbræt til mere komplekse derivater. Disse førstegenerations partikler definerer den oprindelige størrelse og form, og efter at have erstattet noget af kobberet med andre elementer såsom cadmium og zink, de omdannes til andengenerationspartikler, der nu omfatter to materialer. Det nye materiale er skåret ind i en del af det originale kobbersulfid, danner forskellige typer linjer eller former. Disse linjer repræsenterer krydsene mellem de to materialer, at definere rammer inden for partiklerne og skabe tosidede sfærer, sandwich kugler, stænger med låg, stribede stænger, plettede tallerkener, og marmorerede plader.

"Krydspunkterne bringer et ekstra designelement til bordet, sagde Schaak. Her, materialerne i partiklerne er koblet sammen på atomniveau, og det kan føre til yderligere funktioner, fordi materialerne nu kan 'tale' med hinanden. Vi kan uafhængigt indstille partiklernes ydre form og størrelse, de materialer, der er inde i partiklerne, og de måder, de er forbundet på."

Alle andengenerations partikler indeholder stadig noget kobbersulfid. Denne 'rest' kobbersulfid kan også erstattes, producere tredjegenerations partikler, der bevarer førstegenerations størrelse og form og andengenerations junctions, mens de indeholder helt andre materialer end de originale førstegenerations partikler. Højere generation partikler fremstilles ved yderligere blanding og matchning af forskellige teknikker og materialer. Ultimativt, forskerne genererede let et bibliotek med 47 forskellige nanopartikler fra de tre simple førstegenerations sfærer, stænger, og plader.

Nogle af de partikler, holdet har lavet, er blandt de mest komplekse rapporteret til dato, inklusive ikke-symmetriske partikler, partikler med huller og hak i dem, og indviklet skulpturerede partikler. "Det, der er mest spændende, er, hvor nemt det her fungerer. Vi kan sætte os ned og tegne et billede af en virkelig kompleks partikel, som var utænkelig for måneder siden, og så gå i laboratoriet og lave det med det samme. Dette er virkelig en designers værktøjskasse, sagde Schaak.