Olika epoker av civilisationen definieras av upptäckten av nya material, eftersom nya material driver nya möjligheter. Och ändå, identifiera det bästa materialet för en given applikation – katalysatorer, ljusskördande strukturer, biodiagnostiska etiketter, läkemedel och elektroniska apparater – är traditionellt en långsam och skrämmande uppgift. Alternativen är nästan oändliga, särskilt på nanoskala (en nanometer är en miljarddels meter) där materialegenskaper - optiska, strukturell, elektrisk, mekaniska och kemiska – kan avsevärt förändras, även vid en fast sammansättning.

En ny studie publicerad denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) stöder effektiviteten av ett potentiellt revolutionerande nytt verktyg som utvecklats vid Northwestern University för att snabbt testa miljoner (till och med miljarder) av nanopartiklar för att avgöra det bästa för en specifik användning.

"När man använder traditionella metoder för att identifiera nya material, vi har knappt skrapat på ytan av vad som är möjligt, " sa Northwesterns Chad A. Mirkin, studiens motsvarande författare och världsledande inom nanoteknologisk forskning och dess tillämpningar. "Denna forskning ger proof-of-concept - att denna kraftfulla metod för upptäcktsvetenskap fungerar."

Det nya verktyget använder ett kombinatoriskt bibliotek, eller megabibliotek, av nanopartiklar på ett mycket kontrollerat sätt. (Ett kombinatoriskt bibliotek är en samling av systematiskt varierade strukturer kodade på specifika platser på en yta). Biblioteken skapas med Mirkins Polymer Pen Lithography (PPL) teknik, som förlitar sig på arrayer (uppsättningar av dataelement) med hundratusentals pyramidformade spetsar för att deponera individuella polymer "prickar" av olika storlekar och sammansättning, var och en laddad med olika metallsalter av intresse, på en yta. När den väl har värmts upp, dessa prickar reduceras till metallatomer som bildar en enda nanopartikel med fast sammansättning och storlek.

"Genom att bli liten, vi skapar två fördelar i materialupptäckt med hög genomströmning, sa Mirkin, George B. Rathmann professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences; professor i kemi och biologisk teknik, biomedicinsk ingenjörskonst och materialvetenskap och ingenjörskonst vid McCormick School of Engineering; och verkställande direktör för Northwesterns International Institute for Nanotechnology (IIN). "Först, vi kan packa miljontals funktioner i kvadratcentimeters områden, skapa en väg för att skapa de största och mest komplexa biblioteken, hittills. Andra, genom att arbeta på en skala under 100 nanometer, storlek kan bli en biblioteksparameter, och mycket av handlingen, till exempel, inom området katalys, är på den här längdskalan."

Den nya studien är ett partnerskap mellan Northwesterns IIN och Air Force Research Laboratory som en del av U.S. Air Force Center of Excellence for Advanced Bioprogrammable Nanomaterials at Northwestern. Teamet använde ett megabibliotek och en in situ Raman-spektroskopi-baserad screeningteknik som kallas ARES för att identifiera Au3Cu (en guld-kopparkomposition) som en ny katalysator för att syntetisera enkelväggiga kolnanorör. (ARES utvecklades av Benji Maruyama, ledare, Forskningsteam för flexibla material och processer, Direktoratet för material och tillverkning, Flygvapnets forskningslaboratorium, och Rahul Rao, forskare, Air Force Research Laboratory och UES, Inc.)

Kolnanorör är lätta, flexibla och starkare än stålmolekyler som används för energilagring, läkemedelstillförsel och egenskapshöjande tillsatser för många plastmaterial. Screeningprocessen tog mindre än en vecka att slutföra och är tusentals gånger snabbare än konventionella screeningmetoder.

"Vi kunde snabbt hitta en optimal sammansättning som gav det högsta nanorörsutbytet mycket snabbare än att använda konventionella metoder, sa Maruyama, en studie medförfattare. "Fynden tyder på att vi kan ha det ultimata upptäcktsverktyget - en potentiell spelförändring inom materialupptäckt."