Medan nanopartiklar låter som en ny upptäckt, dessa små strukturer har använts i århundraden. Den berömda Lycurgus-koppen, gjord av romerska hantverkare från 300-talet, har dikroiskt glas, med guld och silver nanopartiklar strö över, ger ett grönt utseende när ljus lyser på den framifrån, och ett rött utseende när det belyses bakifrån.

Under århundradena sedan de antika hantverkarnas tid, forskare har kommit långt med att förstå nanopartiklar. Produktionen av nanokuber har varit av särskilt intresse på grund av deras potentiella tillämpningar som biosensorer och gassensorer. Nanopartiklar kan produceras med antingen fysiska eller kemiska metoder, även om fysikaliska metoder är fördelaktiga på grund av frånvaron av organiska föroreningar som vanligtvis introduceras med kemiska metoder. Dock, likformiga nanokubar är svåra att producera i tillräckliga mängder med fysiska metoder. Forskare från Nanoparticles by Design Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) Graduate University har nyligen upptäckt ett nytt tillvägagångssätt för att övervinna detta problem. Deras forskning publicerades nyligen i Avancerade funktionella material .

"Kubformen är inte den lägsta energistrukturen för järnanopartiklar", förklarar Dr Jerome Vernieres, publikationens första författare, "Således, vi kunde inte förlita oss på termodynamiska överväganden för att själv montera dessa nanokuber. " OIST-forskarna, under ledning av prof. Mukhles Sowwan, utnyttjade möjligheterna som erbjuds av en teknik som kallas magnetron-förstoftning inert-gas kondensation för att skapa sina järn nanokuber. Med denna metod, argongas värms först upp och omvandlas till joniserad plasma. Sedan, en magnet, lämpligt placerad bakom ett mål tillverkat av det önskade materialet, I detta fall, järn, styr plasmans form, och säkerställer att argonjoner bombarderar målet; därav namnet "magnetron". Som ett resultat, järnatomer sprutas bort från målet, kolliderar med argonatomer och med varandra, och bildar nanopartiklar. Noggrann kontroll av plasman via kontroll av magnetfältet kan producera enhetliga nanokuber. "Enhetlighet är nyckeln för att känna av applikationer. Vi behövde ett sätt att kontrollera storleken, form, och antalet nanokuber under deras produktion", förklarade Dr Stephan Steinhauer.

För att kontrollera storleken och formen på dessa kuber, forskarna gjorde en enkel men betydelsefull observation:järn är magnetiskt i sig! Med andra ord, forskarna upptäckte att de kunde utnyttja själva målets inneboende magnetism som ett innovativt sätt att modifiera magnetronens magnetfält. På så sätt lyckades de manipulera plasman där partiklarna odlas, och därmed att styra nanokubstorlekarna under bildning. "Detta är första gången enhetliga järnanokubar har tillverkats med en fysisk metod som kan skalas för massproduktion" förtydligar Vernieres. För att bättre förstå mekaniken i denna process, OIST -teamet samarbetade med forskare från Helsingfors universitet för att göra teoretiska beräkningar. "Arbetet förlitade sig mycket på både experimentella metoder och teoretiska beräkningar. Simuleringarna var viktiga för oss för att förklara de fenomen vi observerade", belyser Dr Panagiotis Grammatikopoulos.

När forskarna uppfann ett sätt att producera dessa enhetliga järnkuber, nästa steg var att bygga en elektronisk enhet som kan använda dessa nanokuber för avkänningstillämpningar. "Vi märkte att dessa kuber var extremt känsliga för nivåerna av gasformig NO2. NO2-avkänning används för en mängd olika ändamål, från diagnos av astmapatienter till upptäckt av miljöföroreningar, så vi såg omedelbart en ansökan om vårt arbete", konstaterar Steinhauer. Forskarna från Nanoparticles by Design Unit, i samarbete med forskare från Université de Toulouse, byggde sedan en prototyp av NO2-sensor som mätte förändringen i elektriskt motstånd hos järnnanokuberna på grund av exponering för NO2-gas. Eftersom exponering för även en mycket liten mängd NO2 kan ge en mätbar förändring av det elektriska motståndet som är betydligt större än för andra atmosfäriska föroreningar, den järnnanokubbaserade sensorn är både extremt känslig och specifik. "Dessa nanokuber har många potentiella användningsområden. Det faktum att vi kan producera en relativt stor mängd enhetliga nanokuber med en allt vanligare syntesmetod gör denna forskning mycket lovande för industriella tillämpningar, "framhöll Vernieres.