Med enkel kemi och en mix-and-match, modulär strategi, forskare har utvecklat ett enkelt tillvägagångssätt som kan producera över 65, 000 olika typer av komplexa nanopartiklar, var och en innehåller upp till sex olika material och åtta segment, med gränssnitt som kan utnyttjas i elektriska eller optiska applikationer. Dessa stavformade nanopartiklar är cirka 55 nanometer långa och 20 nanometer breda-till jämförelse är ett människohår cirka 100, 000 nanometer tjocka - och många anses vara bland de mest komplexa som någonsin gjorts.

Ett papper som beskriver forskningen, av ett team av kemister från Penn State, visas den 24 januari, 2020 i tidningen Vetenskap .

"Det finns ett stort intresse för nanovetenskapens värld för att göra nanopartiklar som kombinerar flera olika material - halvledare, katalysatorer, magneter, elektroniskt material, "sade Raymond E. Schaak, DuPont professor i materialkemi vid Penn State och ledare för forskargruppen. "Du kan tänka på att ha olika halvledare kopplade ihop för att styra hur elektroner rör sig genom ett material, eller ordna material på olika sätt för att modifiera deras optiska, katalytisk, eller magnetiska egenskaper. Vi kan använda datorer och kemisk kunskap för att förutsäga mycket av detta, men flaskhalsen har varit att faktiskt göra partiklarna, särskilt i tillräckligt stor skala så att du faktiskt kan använda dem. "

Teamet börjar med enkla nanoroder bestående av koppar och svavel. De ersätter sedan sekventiellt en del av koppar med andra metaller med hjälp av en process som kallas "katjonbyte". Genom att ändra reaktionsförhållandena, de kan styra var i nanoroden kopparen ersätts - i ena änden av stången, i båda ändarna samtidigt, eller i mitten. De kan sedan upprepa processen med andra metaller, som också kan placeras på exakta platser inom nanoroderna. Genom att utföra upp till sju sekventiella reaktioner med flera olika metaller, de kan skapa en verklig regnbåge av partiklar - över 65, 000 olika kombinationer av metallsulfidmaterial är möjliga.

"Den verkliga skönheten i vår metod är dess enkelhet, "sade Benjamin C. Steimle, en doktorand vid Penn State och den första författaren till tidningen. "Det brukade ta månader eller år att tillverka en enda typ av nanopartiklar som innehåller flera olika material. För två år sedan var vi väldigt glada över att vi kunde göra 47 olika metallsulfid -nanopartiklar med en tidigare version av detta tillvägagångssätt. Nu när vi har gjort några betydande nya framsteg och lärt sig mer om dessa system, vi kan gå långt utöver vad någon har kunnat göra tidigare. Vi kan nu producera nanopartiklar med tidigare ofattbar komplexitet helt enkelt genom att kontrollera temperatur och koncentration, alla använder vanliga laboratorieglas och principer som omfattas av en introduktionskemi. "

"Den andra riktigt spännande aspekten av detta arbete är att det är rationellt och skalbart, "sa Schaak." Eftersom vi förstår hur allt fungerar, vi kan identifiera en mycket komplex nanopartikel, planera ett sätt att göra det, och sedan gå in på laboratoriet och faktiskt göra det ganska enkelt. Och, dessa partiklar kan framställas i mängder som är användbara. I princip, vi kan nu göra vad vi vill och hur mycket vi vill. Det finns fortfarande begränsningar, naturligtvis - vi kan inte vänta tills vi kan göra detta med ännu fler typer av material - men även med det vi har nu, det förändrar hur vi tänker på vad som är möjligt att göra. "