Ett team av kemister ledda av Carnegie Mellon Universitys Rongchao Jin har för första gången genomfört platsspecifik kirurgi på en nanopartikel. Proceduren, som möjliggör exakt anpassning av nanopartiklar, står för att främja nanokemiområdet.

Den kirurgiska tekniken utvecklad av Qi Li, studiens huvudförfattare och en 3:e års doktorand i Jin-gruppen, kommer att tillåta forskare att förbättra nanopartiklars funktionella egenskaper, såsom katalytisk aktivitet och fotoluminescens, öka deras användbarhet inom en mängd olika områden inklusive hälso- och sjukvård, elektronik och tillverkning. Fynden publicerades i Vetenskapens framsteg .

"Nanokemi är ett relativt nytt område, den är bara cirka 20 år gammal. Vi har tävlat för att komma ikapp fält som organisk kemi som är mer än 100 år gamla, sa Jin, en kemiprofessor vid Mellon College of Science. "Organiska kemister har kunnat skräddarsy de funktionella grupperna av molekyler under ganska lång tid, som att skräddarsy penicillin för bättre medicinska funktioner, till exempel. Vi drömde att vi kunde göra något liknande inom nanovetenskap. Att utveckla atomärt exakta nanopartiklar har gjort det möjligt för oss att förverkliga denna dröm."

För att göra denna "nano-kirurgi" till verklighet, forskare behövde börja med atomärt exakta nanopartiklar som kunde produceras på ett tillförlitligt sätt gång på gång. Jins labb har varit i framkant av denna forskning. Arbeta med guld nanopartiklar, han och hans team har utvecklat metoder för att exakt kontrollera antalet atomer i varje nanopartikel, vilket resulterar i enhetliga nanopartiklar med varje batch. Med tillförlitligt exakta partiklar, Jin och kollegor kunde identifiera partiklarnas strukturer, och börja reta ut hur den strukturen påverkade partiklarnas egenskaper och funktionalitet.

Med dessa väldefinierade nanopartiklar i handen, Jins nästa steg var att hitta ett sätt att kirurgiskt skräddarsy partiklarna för att lära sig mer om - och förhoppningsvis förbättra - deras funktionalitet.

I deras senaste studie, Jin och kollegor utförde nanokirurgi på en guldnanopartikel som består av 23 guldatomer omgiven av en skyddande yta av ligander i stapelliknande motiv. Med hjälp av en metallbytesmetod i två steg, de tog bort två S-Au-S häftklamrar från partikelns yta. Genom att göra detta avslöjade de de strukturella faktorerna som bestämmer partikelns optiska egenskaper och fastställde den roll som ytan spelar i fotoluminescens. Betydligt nog, operationen ökade partikelns fotoluminescens med cirka 10 gånger. Fotoluminescens spelar en avgörande roll i biologisk avbildning, cancerdiagnos och LED-teknik, bland andra applikationer.

Jin och medarbetare försöker nu generalisera denna platsspecifika operationsmetod till andra nanopartiklar.