Att skapa och manipulera partiklar gjorda av bara några få atomer är allt i en dags arbete för Dr Richard Tilley.

Tilley, en docent vid Victoria's School of Chemical and Physical Sciences, leder skolans forskargrupp för nanopartiklar och kvantprickar.

Upptäcka och behandla cancertumörer, att hitta hållbara energilösningar och skapa nya produkter för användning inom läkemedels- och fordonsindustrin är bara några av de applikationer koncernen fokuserar på.

Sedan han kom 2003, Tilley, som också är huvudutredare vid MacDiarmid Institute for Advanced Materials and Nanotechnology, har drivit Victorias nanopartikelforskningsförmåga till frontlinjen för internationella ansträngningar.

Hans forskargrupp är en av få i världen som kan skapa nanopartiklar av olika storlekar och former. Dess arbete stöds av stora offentliga anslag, och dess resultat publiceras regelbundet i världens främsta forskningstidskrifter inom kemi och nanoteknik.

I gruppen ingår magister, PhD och postdoktorer, medarbetare från MacDiarmid Institute, andra Nya Zeelands universitet och forskningsinstitut, och ett antal prestigefyllda internationella forskare.

Skönheten med nanopartiklar

Nanopartiklar lockar världsomspännande vetenskapligt intresse på grund av deras potentiella tillämpningar, särskilt inom områdena biomedicinsk forskning och industriella processer.

"Vårt mål är att använda dem för att gynna vetenskapen och, i sista hand, mänskligheten, säger Tilley.

Nanopartiklars unika egenskaper beror på ytarean av deras struktur. När storleken på ett material närmar sig nanoskalan, andelen atomer på ytan ökar, leder till nya kemiska och fysikaliska egenskaper.

Richards grupp använder lösningsfas kemitekniker som involverar odling av små kristaller i en flytande lösning, sedan lägga till vad som i huvudsak är tvålmolekyler. Dessa binder till partikelytorna med olika styrka. Forskarna manipulerar sedan försiktigt storleken och formen, skapa tusentals visuellt slående nanopartiklar som reagerar på nya sätt.

De unika nanopartikelformerna som hans team kan skapa allt från fyrkanter och femhörningar till mer utarbetade spetsiga former, och besitter egenskaper som ökad magnetism och förmågan att avge ljus.

"Även om jag har gjort det här i mer än ett decennium, Jag får fortfarande ett stort surr varje gång jag tittar genom mikroskopet på de nya partiklarna vi kan skapa i labbet, säger Tilley.

Upptäcka tumörer genom magnetiska nanopartiklar

Ett framgångsområde för gruppen är att producera högmagnetiska nanopartiklar för användning i biotekniska tillämpningar, som att upptäcka cancervävnad.

Tillsammans med professor Ian Hermans från Malaghan Institute of Medical Research, Dr Peter Ferguson vid Wellington Public Hospital och forskare från MacDiarmid Institute och Callaghan Innovation, teamet utvecklade en ny form av nanopartiklar av järnmetall som inte rostar.

Partiklarna kan användas som kontrastmedel vid magnetisk resonanstomografi (MRT), lyfta fram kroppens inre strukturer och diagnostisera hälsoproblem." Som ett resultat har vi kunnat förbättra prestandan med 100 procent och upptäcka cancertumörer så små som två millimeter, säger Tilley.

"En annan fördel är att de magnetiska järnnanopartiklarna kan värmas upp medan de är i kroppen, så de har potential att användas för att döda cancerceller, samt upptäcka dem."

Ett kommersiellt fokus för koncernen är att tillverka katalysatorer i fordon, som kontrollerar toxicitetsnivåerna för avgaser, mer effektiv och prisvärd.

"I en typisk omvandlare, bara cirka 10 procent av nanopartiklarna är faktiskt aktiva, och de är gjorda av dyra metaller som platina och palladium, " säger Tilley. "Men, vårt team har utvecklat en ny sammansatt nanopartikel, gjord av två olika element, som visar mycket mer effektiva katalytiska egenskaper."

Toppmoderna prylar

Centralt i gruppens forskning är Victorias multimiljondollarsvit för elektronmikroskop som rymmer skannings- och transmissionselektronmikroskop som är avgörande för att undersöka nanomaterial.

Transmissionselektronmikroskopet, central för det arbete som utförs av Richards team, låter dem se storleken och formen på partiklarna de skapar, och att kontrollera nanopartiklarnas egenskaper.

Mikroskopet används för att undersöka ultratunna prover, och har nyligen uppgraderats.

Med högre upplösning och en ny digitalkamera, Tilley och hans team kan nu observera nanopartiklar i skalan 0,15 av en nanometer - det är ungefär en miljarddels meter.

"En spännande funktion är kamerans snabbare bildhastighet, ", säger Tilley. "Det gör att vi kan skapa och analysera videor av nanopartiklar som rör sig och interagerar för första gången."

Skanningsmikroskopen, används främst av forskare vid MacDiarmid Institute, har också förbättrats. Dessa mikroskop använder en elektronstråle för att skanna ytan på ett prov, få information om dess form och sammansättning. Ett nyligen tillägg är en kryotillbehör, som snabbt fryser in prover, låser deras inre strukturer i fast form och låter forskare ta bilder av mjuka material och vätskor.

Det var tidigare omöjligt att titta på mjuka material, som är viktiga i biologisk forskning, eftersom det höga vakuumet i mikroskopet fick dem att explodera.

Tittar på framtiden

Tilley säger att många studenter som har arbetat med forskargruppen för nanopartiklar har gått vidare till prestigefyllda postdoktorala tjänster och framgångsrika karriärer i nationella och internationella forskningsinstitut och kommersiella företag.

Ett aktuellt fokus för gruppen, säger Richard, är kommersialisering av sina nanopartiklar.

Tillsammans med doktorand doktor Anna Henning, han har startat ett onlineföretag, Boutiq, att leverera nanopartiklar till internationella vetenskaps- och ingenjörskunder. Tilley planerar att växa verksamheten genom Victorias kommersialiseringsarm, Vic Link.

"Jag vet hur svårt det är att faktiskt skapa något som till slut används av mänskligheten men, på samma gång, Jag kan inte tänka mig att någonsin göra forskning där jag inte trodde att resultatet skulle vara användbart."