Upptäckskraften hos genchippet kommer till nanotekniken. En forskargrupp från Northwestern University utvecklar ett verktyg för att snabbt testa miljoner och kanske till och med miljarder eller fler olika nanopartiklar på en gång för att nollställa den bästa partikeln för en specifik användning.

När material miniatyriseras, deras egenskaper - optiska, strukturell, elektrisk, mekaniska och kemiska förändringar, erbjuder nya möjligheter. Men att bestämma vilken nanopartikelstorlek och sammansättning som är bäst för en given applikation, såsom katalysatorer, biodiagnostiska etiketter, läkemedel och elektronisk utrustning, är en svår uppgift.

"Som vetenskapsmän, vi har precis börjat undersöka vilka material som kan tillverkas på nanoskala, " sa Northwesterns Chad A. Mirkin, världsledande inom nanoteknologisk forskning och dess tillämpning, som ledde studien. "Skärma en miljon potentiellt användbara nanopartiklar, till exempel, kan ta flera liv. När optimerad, vårt verktyg kommer att göra det möjligt för forskare att utse vinnaren mycket snabbare än konventionella metoder. Vi har det ultimata verktyget för upptäckt."

Genom att använda en Northwestern-teknik som avsätter material på en yta, Mirkin och hans team kom på hur man gör kombinatoriska bibliotek av nanopartiklar på ett mycket kontrollerat sätt. (Ett kombinatoriskt bibliotek är en samling av systematiskt varierade strukturer kodade på specifika platser på en yta.) Deras studie kommer att publiceras den 24 juni av tidskriften Vetenskap .

Nanopartikelbiblioteken är ungefär som ett genchip, Mirkin säger, där tusentals olika DNA-fläckar används för att identifiera förekomsten av en sjukdom eller toxin. Tusentals reaktioner kan göras samtidigt, ger resultat på bara några timmar. Liknande, Mirkin och hans teams bibliotek kommer att göra det möjligt för forskare att snabbt tillverka och screena miljontals till miljarder nanopartiklar av olika sammansättning och storlekar för önskvärda fysikaliska och kemiska egenskaper.

"Förmågan att skapa bibliotek av nanopartiklar kommer att öppna ett nytt fält av nanokombinatorik, där storlek – i en skala som spelar roll – och sammansättning blir avstämbara parametrar, " sade Mirkin. "Detta är ett kraftfullt tillvägagångssätt för upptäcktsvetenskap."

Mirkin är George B. Rathmann professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences och grundare av Northwesterns International Institute for Nanotechnology.

"Jag liknar vårt kombinatoriska tillvägagångssätt med nanomönster vid att tillhandahålla en bred palett av djärva färger till en konstnär som tidigare hade arbetat med en handfull tråkiga och bleksvarta, vita och grå pasteller, " sa medförfattaren Vinayak P. Dravid, Abraham Harris professor i materialvetenskap och teknik vid McCormick School of Engineering.

Med hjälp av fem metalliska element - guld, silver, kobolt, koppar och nickel – Mirkin och hans team utvecklade en rad unika strukturer genom att variera varje elementär kombination. I tidigare arbeten, forskarna hade visat att partikeldiametern också kan varieras medvetet på 1- till 100 nanometers längdskalan.

Vissa av kompositionerna finns i naturen, men mer än hälften av dem har aldrig funnits tidigare på jorden. Och när den avbildas med kraftfulla bildtekniker, nanopartiklarna ser ut som en rad färgglada påskägg, varje kompositionselement som bidrar till paletten.

För att bygga de kombinatoriska biblioteken, Mirkin och hans team använde Dip-Pen nanolitografi, en teknik utvecklad på Northwestern 1999, att avsätta enskilda polymer-"prickar på en yta, " var och en laddad med olika metallsalter av intresse. Forskarna värmde sedan upp polymerprickarna, reducera salterna till metallatomer och bilda en enda nanopartikel. Storleken på polymerpunkten kan varieras för att ändra storleken på den slutliga nanopartikeln.

Denna kontroll av både storlek och sammansättning av nanopartiklar är mycket viktig, Mirkin stressade. Efter att ha visat kontroll, forskarna använde verktyget för att systematiskt skapa ett bibliotek med 31 nanostrukturer med hjälp av de fem olika metallerna.

För att hjälpa till att analysera de komplexa elementsammansättningarna och storleken/formen på nanopartiklarna ner till subnanometerskalan, laget vände sig till Dravid, Mirkins långvariga vän och samarbetspartner. Dravid, grundare av Northwesterns NUANCE Center, bidrog med sin expertis och NUANCEs avancerade elektronmikroskop för att rumsligt kartlägga de kombinatoriska nanopartiklarnas sammansättningsbanor.

Nu, forskare kan börja studera dessa nanopartiklar samt bygga andra användbara kombinatoriska bibliotek som består av miljarder strukturer som subtilt skiljer sig åt i storlek och sammansättning. Dessa strukturer kan bli nästa material som driver bränsleceller, effektivt skörda solenergi och omvandla den till användbara bränslen, och katalysera reaktioner som tar lågvärdiga råvaror från petroleumindustrin och förvandlar dem till högvärdiga produkter användbara inom den kemiska och farmaceutiska industrin.