Et megabibliotek af nanopartikler

Ved at bruge ligetil kemi og et mix-and-match, modulær strategi, forskere har udviklet en enkel tilgang, der kunne producere over 65, 000 forskellige typer komplekse nanopartikler, hver indeholder op til seks forskellige materialer og otte segmenter, med grænseflader, der kunne udnyttes i elektriske eller optiske applikationer. Disse stavformede nanopartikler er omkring 55 nanometer lange og 20 nanometer brede - til sammenligning er et menneskehår omkring 100, 000 nanometer tyk - og mange anses for at være blandt de mest komplekse, der nogensinde er lavet.

Et papir, der beskriver forskningen, af et hold af Penn State kemikere, vises 24. januar, 2020 i bladet Videnskab .

"Der er stor interesse i nanovidenskabens verden for at lave nanopartikler, der kombinerer flere forskellige materialer - halvledere, katalysatorer, magneter, elektroniske materialer, " sagde Raymond E. Schaak, DuPont professor i materialekemi ved Penn State og leder af forskerholdet. "Du kan tænke på at have forskellige halvledere forbundet sammen for at kontrollere, hvordan elektroner bevæger sig gennem et materiale, eller arrangere materialer på forskellige måder for at modificere deres optiske, katalytisk, eller magnetiske egenskaber. Vi kan bruge computere og kemisk viden til at forudsige meget af dette, men flaskehalsen har været i faktisk fremstilling af partiklerne, især i stor nok skala, så du rent faktisk kan bruge dem."

Holdet starter med simple nanorods sammensat af kobber og svovl. De erstatter derefter sekventielt noget af kobberet med andre metaller ved hjælp af en proces kaldet "kationbytning". Ved at ændre reaktionsbetingelserne, de kan kontrollere, hvor i nanorroden kobberet udskiftes - i den ene ende af stangen, i begge ender samtidigt, eller i midten. De kan derefter gentage processen med andre metaller, som også kan placeres på præcise steder inden for nanoroderne. Ved at udføre op til syv sekventielle reaktioner med flere forskellige metaller, de kan skabe en veritabel regnbue af partikler – over 65, 000 forskellige kombinationer af metalsulfidmaterialer er mulige.

"Den virkelige skønhed ved vores metode er dens enkelhed, sagde Benjamin C. Steimle, en kandidatstuderende ved Penn State og den første forfatter af papiret. "Det plejede at tage måneder eller år at lave selv en type nanopartikel, der indeholder flere forskellige materialer. For to år siden var vi virkelig begejstrede for, at vi kunne lave 47 forskellige metalsulfid-nanopartikler ved hjælp af en tidligere version af denne tilgang. Nu hvor vi har gjort nogle væsentlige nye fremskridt og lært mere om disse systemer, vi kan gå langt ud over, hvad nogen har været i stand til før. Vi er nu i stand til at producere nanopartikler med tidligere ufattelig kompleksitet blot ved at kontrollere temperatur og koncentration, alle ved hjælp af standard laboratorieglasvarer og principper, der er dækket i et introduktionskursus i kemi."

"Det andet virkelig spændende aspekt af dette arbejde er, at det er rationelt og skalerbart, " sagde Schaak. "Fordi vi forstår, hvordan alting fungerer, vi kan identificere en meget kompleks nanopartikel, planlægge en måde at lave det på, og så gå ind i laboratoriet og faktisk lave det ret nemt. Og, disse partikler kan fremstilles i mængder, der er nyttige. I princippet, vi kan nu lave hvad vi vil og så meget vi vil. Der er stadig begrænsninger, selvfølgelig - vi kan ikke vente, indtil vi er i stand til at gøre dette med endnu flere typer materialer - men selv med det, vi har nu, det ændrer, hvordan vi tænker på, hvad der er muligt at lave."