Exakt mätning av molekylvikten, storlek och densitet av en nanopartikel i en enda procedur är nu möjligt, tack vare en ultracentrifugeringsmetod, dammas av av schweiziska forskare vid EPFL.

Även om nanopartiklar används inom en mängd olika domäner – som medicin, solenergi och fotonik – det finns fortfarande mycket om dem att upptäcka. Att fastställa deras fullständiga karaktärisering, inklusive massa, storlek och densitet, förblir en extremt komplex övning, och detta fungerar som en broms för forskningen inom området. Dock, denna kunskapslucka kommer snart att fyllas, tack vare det arbete som utförts av Constellium Professor Francesco Stellacci och hans doktorandassistent Randy Carney, från Supramolecular Nanomaterials and Interfaces Laboratory (SUNMIL). I en ny artikel i Naturkommunikation , de visar att det är möjligt att få den fullständiga karakteriseringen av en kärna-skal nanopartikel (kärnan och det externa skalet) genom att använda en mycket enkel metod - analytisk ultracentrifugering. Denna 100 år gamla procedur har tidigare använts, särskilt, att studera storleken och massan av proteiner. Det var genom att tillämpa metoden på sitt forskningsområde som EPFL-forskarna insåg fördelarna med användningen av den.

Kärnan och skalet

Än så länge, analysen av alla parametrar som kännetecknar kärnan, såväl som de som kännetecknar nanopartikelns skal i en enda operation har förblivit en verklig utmaning. Nanopartiklarna är verkligen polydispersa, vilket innebär att, i ett prov, var och en av dem har olika egenskaper (storlek, massa, vikt etc.). "För närvarande forskare har till sitt förfogande pålitliga tekniker för att karakterisera kärnan av nanopartiklar. Men detta kräver fem eller sex mycket komplexa procedurer för att få en fullständig karakterisering”, tillägger Randy Carney. "Genom att titta på analytisk ultracentrifugering, vi upptäckte en metod som gör det möjligt för oss, i en enda process, för att få alla nödvändiga parametrar på några timmar."

Hur fungerar det?

Tekniskt talat, konceptet är följande:först, du måste späda nanopartiklarna i en lösning, och sedan lägga lösningen i en analytisk ultracentrifug, utrustad med ett optiskt detektionssystem som analyserar deras beteende. Då är det möjligt, med hjälp av en datorprocess, för att bestämma vad som kallas sedimentationskoefficienten. "När vi snurrar dem i snabb hastighet, nanopartiklarna separeras från vätskan vid olika ögonblick, beroende på deras täthet, ” förklarar Randy Carney. De största partiklarna separeras därmed snabbare från vätskan. Denna observation ger en indikation på vikten av partikeln, såväl som dess diameter.” Parallellt, forskarna fokuserar på en annan indikation – vanligtvis ignorerad av de flesta studier – som kallas partikeldiffusionskoefficienten, som relaterar till hur de sprids genom vätskan. "Detta fenomen, som vi kan jämföra med en droppe bläck i vatten, inträffar även när lösningsmedlet är stilla."

Används inom industrin

När de används tillsammans, sedimentationskoefficienten och diffusionskoefficienten möjliggör då en mycket exakt karakterisering av både kärnan och skalet hos nanopartiklarna:det vill säga, deras storlek, vikt, form och sammansättning. Detta är mycket viktig information, när vi tänker på att egenskaperna hos nanopartiklarna (kemiska, elektronisk, magnetiska etc.) är beroende av alla dessa parametrar.

För tillfället, denna metod fungerar bara med sfäriska nanopartiklar. Dock, det borde fortfarande vara av intresse för forskare verksamma inom nanoteknik, som också kan använda det för andra nanopartiklar, med några ytterligare analyser. ”Industri och biologiska tillämpningar behöver också en metod för att karakterisera nanopartiklar. Den här metoden kan vara mycket användbar”, avslutar professor Stellacci.