Ett team av kemister vid Penn State har utvecklat en designers verktygslåda som låter dem bygga olika nivåer av komplexitet till nanopartiklar med hjälp av en enkel, blanda-och-matcha-processen. "Forskare inom så olika områden som medicin, energi, och elektronik designar ofta komplexa partiklar i nanoskala som förutspås ha användbara funktioner, "sade Raymond E. Schaak, DuPont professor i materialkemi vid Penn State och ledare för forskargruppen. "Men att göra dem i laboratoriet är ofta flaskhalsen. Vår strategi kan bidra till att effektivisera denna process." Ett papper som beskriver teamets strategi och det stora bibliotek av partiklar som de nu kan göra visas den 4 maj, 2018 i tidningen Vetenskap .

Forskare och ingenjörer blir bättre och bättre på att designa nanopartiklar för att dela vatten med solljus, att diagnostisera och behandla cancer, och för att lösa andra viktiga problem. Många av dessa "designer"-partiklar måste inkludera olika typer av halvledare, katalysatorer, magneter, och andra material för att fungera, allt samtidigt som de uppfyller stränga krav på storlek och form.

"Att syntetisera dessa komplexa partiklar blir en riktigt svår utmaning, eftersom var och en av dessa partiklar kräver en kraftfull ansträngning för att förbereda, och det är inte alltid praktiskt, ", sa Schaak. "Vi ville tänka på ett mer modulärt sätt för att göra den här processen enklare."

Forskarna börjar med vad de kallar första generationens partiklar som har dimensioner i nanometerskala och liknar virus i storlek. Dessa är enkla, lätttillverkade kopparsulfidsfärer, stavar, och plattor som fungerar som språngbrädor för mer komplexa derivat. Dessa första generationens partiklar definierar den ursprungliga storleken och formen, och efter att ha ersatt en del av kopparn med andra grundämnen som kadmium och zink, de omvandlas till andra generationens partiklar som nu innehåller två material. Det nya materialet är hugget in i en del av den ursprungliga kopparsulfiden, bilda olika typer av linjer eller former. Dessa linjer representerar förbindelserna mellan de två materialen, definiera ramar inom partiklarna och skapa tvåsidiga sfärer, smörgåssfärer, kapslade stavar, randiga stavar, fläckiga tallrikar, och marmorerade tallrikar.

"Korsningarna ger ett extra designelement till bordet, sade Schaak. Här, materialen i partiklarna är sammankopplade på atomnivå, och detta kan leda till ytterligare funktioner eftersom materialen nu kan 'prata' med varandra. Vi kan självständigt ställa in den yttre formen och storleken på partiklarna, de material som finns inuti partiklarna, och hur de är anslutna. "

Alla andra generationens partiklar innehåller fortfarande en del kopparsulfid. Denna "överblivna" kopparsulfid kan också ersättas, producerar tredje generationens partiklar som behåller den första generationens storlek och form och andra generationens korsningar samtidigt som de innehåller helt andra material än de ursprungliga första generationens partiklar. Partiklar av högre generation tillverkas genom ytterligare blandning och matchning av olika tekniker och material. I sista hand, forskarna skapade enkelt ett bibliotek med 47 olika nanopartiklar från de tre enkla första generationens sfärer, stavar, och tallrikar.

Några av partiklarna som laget har gjort är bland de mest komplexa som rapporterats hittills, inklusive icke-symmetriska partiklar, partiklar med hål och skåror i dem, och intrikat skulpterade partiklar. "Det som är mest spännande är hur lätt det här fungerar. Vi kan sätta oss ner och rita en bild av en riktigt komplex partikel som var otänkbar för månader sedan, och sedan gå in i labbet och göra det direkt. Detta är verkligen en designers verktygslåda, sa Schaak.