(Phys.org) -- Forskare vid MIT och University of Central Florida (UCF) har utvecklat en mångsidig ny tillverkningsteknik för att tillverka stora mängder enhetliga sfärer från en mängd olika material – en teknik som möjliggör oöverträffad kontroll över utformningen av enskild, mikroskopiska partiklar. Partiklarna, inklusive komplexa, mönstrade sfärer, kunde hitta användningsområden i allt från biomedicinsk forskning och läkemedelsleverans till elektronik och materialbearbetning.

Metoden är en utväxt av en teknik för att göra långa, tunna fibrer av flera material, utvecklats under de senaste åren vid MIT av medlemmar i densamma. Det nya verket, rapporterade denna vecka i tidningen Natur , börjar med att göra tunna fibrer med denna tidigare metod, men lägger sedan till ett extra steg för att värma fibrerna för att skapa en rad små sfärer - som ett pärlband - inom dessa fibrer.

Konventionell tillverkning av mikroskopiska sfäriska partiklar använder en "bottom-up"-metod, odla sfärerna från ännu mindre "frön" - ett tillvägagångssätt som bara kan producera mycket små partiklar. Denna nya "top-down" metod, dock, kan producera sfärer så små som 20 nanometer (ungefär storleken på de minsta kända virusen) eller så stora som två millimeter (ungefär storleken som ett knappnålshuvud), vilket betyder att de största partiklarna är 100, 000 gånger större än de minsta. Men för en given sats, storleken på de producerade sfärerna kan vara extremt enhetlig - mycket mer än vad som är möjligt med bottom-up-metoden.

Yoel Fink, en professor i materialvetenskap och chef för MIT:s forskningslaboratorium för elektronik, vars grupp utvecklade den tidigare metoden att tillverka multimaterialfibrer, förklarar att den nya metoden också kan producera flermaterialsfärer som består av olika lager eller segment. Ännu mer komplexa strukturer är möjliga, han säger, erbjuder oöverträffad kontroll över partikelarkitektur och sammansättning.

Den mest troliga kortsiktiga användningen av den nya processen skulle vara för biomedicinska tillämpningar, säger Ayman Abouraddy, en före detta postdoc i Finks labb som nu är biträdande professor vid UCF:s College of Optics and Photonics. "Typiska tillämpningar av nanopartiklar idag är för kontrollerad läkemedelsleverans, ” säger han. Men med denna nya process, två eller flera olika droger - även de som vanligtvis är inkompatibla - skulle kunna kombineras inuti individuella partiklar, och släpps först när de har nått sin avsedda destination i kroppen.

Mer exotiska möjligheter kan uppstå senare, Abouraddy tillägger, inklusive nya "metamaterial" med avancerade optiska egenskaper som tidigare var ouppnåeliga.

Den grundläggande processen innebär att skapa en stor polymercylinder, kallas en "förform, ” som innehåller en inre halvledarcylinderkärna som är en exakt uppskalad modell av den slutliga fiberstrukturen; denna förform värms sedan upp tills den är tillräckligt mjuk för att dras till en tunn fiber, som taffy. Fiberns inre struktur, gjorda av material som alla mjuknar vid samma temperatur, behåller den interna konfigurationen av den ursprungliga cylindern.

Fibern värms sedan upp ytterligare så att den halvledande kärnan bildar en vätska, producerar en serie diskreta sfäriska droppar i den annars kontinuerliga fibern. Samma fenomen gör att en minskande ström av vatten från en kran så småningom bryts upp i en ström av droppar, känd fångad av MIT:s Harold "Doc" Edgerton i hans stroboskopiska bilder.

Abouraddy säger att under ett besök i antika tempel i hans hemland Egypten, han hittade en inskription som visar att för länge sedan, människor var medvetna om denna nedbrytning av en ström av vatten till droppar - orsakad av en process som nu kallas Rayleigh instabilitet.

I den nya tillverkningsprocessen som utvecklats av Abouraddy och Finks team, dessa droppar "fryser" på plats när fibern stelnar; förformens polymerhölje håller dem sedan låsta på plats tills den senare löses upp. Detta övervinner ett annat problem med traditionell produktion av nanopartiklar:deras tendens att klumpa ihop sig.

I princip, Abouraddy säger, upptäckten av denna process för att bilda partiklar kunde ha kommit för många år sedan. Men även efter att teoretiker hade förutspått att sådana instabiliteter kunde bildas i processen att dra fibrer, den nya upptäckten kom av en slump:Joshua Kaufman, en student till Abouraddy's, försökte producera fibrer, men hans experiment "misslyckades" när fibern hela tiden bröts upp i droppar.

Abouraddy, som visste om den teoretiska möjligheten, insåg omedelbart att detta "misslyckande" faktiskt var en viktig upptäckt - en som hade undgått tidigare försök helt enkelt för att processen kräver en exakt kombination av timing, temperatur och material. Kaufman är huvudförfattare till Nature-tidningen.

"Förmågan att utnyttja och kontrollera den flyktiga vätskeinstabiliteten i en fiber har djupgående konsekvenser för framtida enheter, " Fink säger, och kan leda till en mängd olika användningsområden. Medan gruppen har demonstrerat produktionen av sexsegments "strandboll"-partiklar, i princip mycket mer komplexa strukturer, gjorda av en mängd olika material, borde också vara möjligt, han säger. Vilket material som helst som kan dras in i en fiber kan nu, i princip, göras till en liten partikel.

Arbetet stöddes av National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research och Army Research Office genom MIT:s Institute for Soldier Nanotechnologies.