Ny megabibliotekstilgang viser sig nyttig til hurtig opdagelse af nye materialer

Forskellige epoker af civilisation er defineret af opdagelsen af ​​nye materialer, efterhånden som nye materialer driver nye muligheder. Og stadigvæk, at identificere det bedste materiale til en given anvendelse - katalysatorer, lys-høstende strukturer, biodiagnostiske etiketter, lægemidler og elektronisk udstyr - er traditionelt en langsom og skræmmende opgave. Mulighederne er næsten uendelige, især på nanoskala (en nanometer er en milliardtedel af en meter), hvor materialeegenskaber - optiske, strukturel, elektriske, mekaniske og kemiske - kan ændre sig markant, selv ved en fast sammensætning.

En ny undersøgelse offentliggjort i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) understøtter effektiviteten af ​​et potentielt revolutionerende nyt værktøj udviklet ved Northwestern University til hurtigt at teste millioner (endda milliarder) af nanopartikler for at bestemme det bedste til en specifik anvendelse.

"Når man bruger traditionelle metoder til at identificere nye materialer, vi har knap nok ridset overfladen af, hvad der er muligt, " sagde Northwesterns Chad A. Mirkin, undersøgelsens tilsvarende forfatter og en af ​​verdens førende inden for nanoteknologisk forskning og dens anvendelser. "Denne forskning giver proof-of-concept - at denne kraftfulde tilgang til opdagelsesvidenskab virker."

Det nye værktøj bruger et kombinatorisk bibliotek, eller megabibliotek, af nanopartikler på en meget kontrolleret måde. (Et kombinatorisk bibliotek er en samling af systematisk varierede strukturer kodet på specifikke steder på en overflade). Bibliotekerne er oprettet ved hjælp af Mirkins Polymer Pen Lithography (PPL) teknik, som er afhængig af arrays (sæt af dataelementer) med hundredtusindvis af pyramideformede spidser til at afsætte individuelle polymer-"prikker" af forskellig størrelse og sammensætning, hver fyldt med forskellige metalsalte af interesse, på en overflade. Når den er opvarmet, disse prikker reduceres til metalatomer, der danner en enkelt nanopartikel med fast sammensætning og størrelse.

"Ved at blive lille, vi skaber to fordele ved materialeopdagelse med høj kapacitet, " sagde Mirkin, George B. Rathmann professor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences; professor i kemi og biologisk teknik, biomedicinsk teknik og materialevidenskab og teknik i McCormick School of Engineering; og administrerende direktør for Northwestern's International Institute for Nanotechnology (IIN). "Først, vi kan pakke millioner af funktioner ind i kvadratcentimeter områder, skabe en vej til at lave de største og mest komplekse biblioteker, til dato. Sekund, ved at arbejde på skalaen under 100 nanometer, størrelse kan blive en biblioteksparameter, og meget af handlingen, for eksempel, inden for katalyse, er på denne længdeskala."

Den nye undersøgelse er et partnerskab mellem Northwesterns IIN og Air Force Research Laboratory som en del af U.S. Air Force Center of Excellence for Advanced Bioprogrammable Nanomaterials at Northwestern. Holdet brugte et megabibliotek og en in situ Raman-spektroskopi-baseret screeningsteknik kaldet ARES til at identificere Au3Cu (en guld-kobber-sammensætning) som en ny katalysator til syntetisering af enkeltvæggede kulstofnanorør. (ARES blev udviklet af Benji Maruyama, leder, Fleksible materialer og processer forskningsteam, Direktoratet for materialer og fremstilling, Air Force Research Laboratory, og Rahul Rao, forsker, Air Force Research Laboratory og UES, Inc.)

Carbon nanorør er lette, fleksible og stærkere end stålmolekyler, der bruges til energilagring, lægemiddellevering og egenskabsforbedrende tilsætningsstoffer til mange plastmaterialer. Screeningsprocessen tog mindre end en uge at gennemføre og er tusindvis af gange hurtigere end konventionelle screeningsmetoder.

"Vi var i stand til hurtigt at finde en optimal sammensætning, der producerede det højeste nanorørsudbytte meget hurtigere end ved at bruge konventionelle metoder, " sagde Maruyama, en studie medforfatter. "Resultaterne tyder på, at vi muligvis har det ultimative opdagelsesværktøj - en potentiel game changer inden for materialeopdagelse."