(PhysOrg.com) -- Nya läkemedelsleveranssystem, solceller, industriella katalysatorer och videoskärmar är bland de potentiella tillämpningarna av speciella partiklar som har två kemiskt distinkta sidor. Dessa partiklar är uppkallade efter den tvåsidiga romerska guden Janus och deras dubbla kemiska ansikten tillåter dem att bilda nya strukturer och nya material.

Dock, eftersom forskare har minskat storleken på Janus-partiklar till några nanometer i diameter - ungefär lika stor som enskilda proteiner, som har störst potential för läkemedelsbehandling – deras ansträngningar har försvårats eftersom de inte har haft ett sätt att exakt kartlägga ytorna på de partiklar som de producerar. Denna osäkerhet har gjort det svårt att utvärdera effektiviteten hos dessa partiklar för olika tillämpningar och att förbättra de metoder som forskare använder för att producera dem.

Nu, ett team av Vanderbilt-kemister har övervunnit detta hinder genom att utveckla den första metoden som snabbt och exakt kan kartlägga de kemiska egenskaperna hos den minsta av dessa Janus-nanopartiklar.

Resultaten, publicerad online denna månad i den tyska kemitidskriften Angewandte Chemie , ta itu med ett stort hinder som har bromsat utvecklingen och tillämpningen av de minsta Janus-nanopartiklarna.

Det faktum att Janus-partiklar har två kemiskt distinkta ytor gör dem potentiellt mer värdefulla än kemiskt enhetliga partiklar. Till exempel, en sida kan hålla fast vid läkemedelsmolekyler medan den andra är belagd med länkmolekyler som binder till målcellerna. Denna fördel är större när de olika ytorna är rent separerade i halvklot än när de två typerna av ytor är blandade.

För större nanopartiklar (med storlekar över 10 nanometer), forskare kan använda befintliga metoder, såsom svepelektronmikroskopi, att kartlägga deras ytsammansättning. Detta har hjälpt forskare att förbättra sina tillverkningsmetoder så att de kan producera rent segregerade Janus-partiklar. Dock, konventionella metoder fungerar inte vid storlekar under 10 nanometer.

Vanderbilt-kemisterna – docent David Cliffel, biträdande professor John McLean, doktoranden Kellen Harkness och lektor Andrzej Balinski – drog fördel av kapaciteten hos ett toppmodernt instrument som kallas en jonmobilitet-masspektrometer (IM-MS) som samtidigt kan identifiera tusentals enskilda partiklar.

Teamet belade ytorna på guldnanopartiklar i storlek från två till fyra nanometer med två olika kemiska föreningar. Sedan bröt de ner nanopartiklarna i kluster av fyra guldatomer och körde dessa fragment genom IM-MS.

Molekyler från de två beläggningarna var fortfarande fästa vid klustren. Så, genom att analysera det resulterande mönstret, kemisterna visade att de kunde skilja mellan ursprungliga nanopartiklar där de två ytföreningarna var helt separerade, de där de var slumpmässigt blandade och de som hade en mellangrad av separering.

"Det finns inget annat sätt att analysera struktur i denna skala förutom röntgenkristallografi, sa Cliffel, "och röntgenkristallografi är extremt svårt och kan ta månader att få en enda struktur."

"IM-MS är inte riktigt lika exakt som röntgenkristallografi men det är extremt praktiskt, ” lade McLean till, som har hjälpt till att banbryta utvecklingen av det nya instrumentet. "Det kan ge strukturell information på några sekunder. För två år sedan blev en kommersiell version tillgänglig så att folk som vill använda den inte längre behöver bygga en själv.”