Het creëren en manipuleren van deeltjes gemaakt van slechts een paar atomen is allemaal dagelijkse kost voor Dr. Richard Tilley.

Tilly, een universitair hoofddocent aan de Victoria's School of Chemical and Physical Sciences, leidt de onderzoeksgroep nanodeeltjes en kwantumdots van de school.

Opsporen en behandelen van kankertumoren, het vinden van duurzame energieoplossingen en het creëren van nieuwe producten voor gebruik in de farmaceutische en automobielindustrie zijn slechts enkele van de toepassingen waarop de groep zich richt.

Sinds zijn komst in 2003, Tilly, die ook hoofdonderzoeker is bij het MacDiarmid Institute for Advanced Materials and Nanotechnology, heeft Victoria's onderzoekscapaciteit voor nanodeeltjes naar de voorgrond van internationale inspanningen gebracht.

Zijn onderzoeksgroep is een van de weinige ter wereld die nanodeeltjes van verschillende groottes en vormen kan maken. Haar werk wordt ondersteund door grote overheidssubsidies, en zijn bevindingen worden regelmatig gepubliceerd in 's werelds beste onderzoekstijdschriften op het gebied van chemie en nanotechnologie.

De groep omvat masters, PhD en postdoctorale onderzoekers, medewerkers van het MacDiarmid Institute, andere Nieuw-Zeelandse universiteiten en onderzoeksinstituten, en een aantal prestigieuze internationale onderzoekers.

De schoonheid van nanodeeltjes

Nanodeeltjes trekken wereldwijd wetenschappelijke belangstelling vanwege hun potentiële toepassingen, met name op het gebied van biomedisch onderzoek en industriële processen.

"Ons doel is om ze te gebruiken ten voordele van de wetenschap en, uiteindelijk, mensheid, ' zegt Tilly.

De unieke eigenschappen van nanodeeltjes zijn het resultaat van het oppervlak van hun structuur. Naarmate de grootte van een materiaal de nanoschaal nadert, het percentage atomen op het oppervlak neemt toe, wat leidt tot nieuwe chemische en fysische eigenschappen.

Richard's groep gebruikt chemische technieken in de oplossingsfase waarbij kleine kristallen in een vloeibare oplossing worden gekweekt, dan het toevoegen van wat in wezen zeepmoleculen zijn. Deze binden zich met verschillende sterktes aan de deeltjesoppervlakken. De onderzoekers manipuleren vervolgens zorgvuldig de grootte en vorm, duizenden visueel opvallende nanodeeltjes creëren die op nieuwe manieren reageren.

De unieke nanodeeltjesvormen die zijn team kan creëren variëren van vierkanten en vijfhoeken tot meer uitgebreide spikey-vormen, en bezitten eigenschappen zoals verhoogd magnetisme en het vermogen om licht uit te stralen.

"Hoewel ik dit al meer dan tien jaar doe, Ik krijg nog steeds een enorme buzz elke keer als ik door de microscoop kijk naar de nieuwe deeltjes die we in het lab kunnen creëren, ' zegt Tilly.

Tumoren detecteren door magnetische nanodeeltjes

Een succesgebied voor de groep is de productie van zeer magnetische nanodeeltjes voor gebruik in biotechnologische toepassingen, zoals het opsporen van kankerweefsel.

Samen met professor Ian Hermans van het Malaghan Institute of Medical Research, Dr Peter Ferguson van het Wellington Public Hospital en onderzoekers van het MacDiarmid Institute en Callaghan Innovation, het team ontwikkelde een nieuwe vorm van ijzer-metaal nanodeeltjes die niet roesten.

De deeltjes kunnen worden gebruikt als contrastmiddel in MRI-scans (magnetic resonance imaging), het benadrukken van de interne structuren van het lichaam en het diagnosticeren van gezondheidsproblemen. Als resultaat zijn we in staat geweest om de prestaties met 100 procent te verbeteren en kankertumoren zo klein als twee millimeter te detecteren, ' zegt Tilly.

"Een ander voordeel is dat de magnetische ijzernanodeeltjes in het lichaam kunnen worden opgewarmd, zodat ze het potentieel hebben om kankercellen te doden, en om ze op te sporen."

Een commerciële focus voor de groep is het maken van de katalysatoren in voertuigen, die de toxiciteitsniveaus van uitlaatgassen regelen, efficiënter en betaalbaarder.

"In een typische converter, slechts ongeveer 10 procent van de nanodeeltjes is daadwerkelijk actief, en ze zijn gemaakt van dure metalen zoals platina en palladium, "zegt Tilley. "Echter, ons team heeft een nieuw composiet nanodeeltje ontwikkeld, gemaakt van twee verschillende elementen, dat veel efficiëntere katalytische eigenschappen vertoont."

State-of-the-art gadgets

Centraal in het onderzoek van de groep staat Victoria's miljoenen dollars kostende elektronenmicroscoopsuite met scanning- en transmissie-elektronenmicroscopen die essentieel zijn voor het onderzoeken van nanomaterialen.

De transmissie-elektronenmicroscoop, centraal in het werk van Richard's team, stelt hen in staat om de grootte en vorm van de deeltjes die ze creëren te zien, en om de eigenschappen van de nanodeeltjes te controleren.

De microscoop wordt gebruikt om ultradunne monsters te onderzoeken, en is onlangs geüpgraded.

Met een hogere resolutie en een nieuwe digitale camera, Tilley en zijn team kunnen nu nanodeeltjes waarnemen op een schaal van 0,15 nanometer, dat is ongeveer een miljardste van een meter.

"Een opwindende functie is de hogere beeldsnelheid van de camera, ", zegt Tilley. "Dat stelt ons in staat om voor het eerst video's te maken en te analyseren van nanodeeltjes die bewegen en op elkaar inwerken."

De scanning microscopen, voornamelijk gebruikt door onderzoekers van het MacDiarmid Institute, zijn ook verbeterd. Deze microscopen gebruiken een elektronenstraal om het oppervlak van een monster te scannen, informatie verkrijgen over de vorm en samenstelling ervan. Een recente toevoeging is een cryo-attachment, die snel monsters bevriest, door hun interne structuren in vaste vorm te vergrendelen en onderzoekers in staat te stellen afbeeldingen te maken van zachte materialen en vloeistoffen.

Het was voorheen onmogelijk om naar zachte materialen te kijken, die belangrijk zijn in biologisch onderzoek, omdat het hoge vacuüm in de microscoop ervoor zorgde dat ze explodeerden.

Op zoek naar de toekomst

Tilley zegt dat veel studenten die met de onderzoeksgroep nanodeeltjes hebben gewerkt, prestigieuze postdoctorale functies en succesvolle carrières hebben gekregen in nationale en internationale onderzoeksinstituten en commerciële ondernemingen.

Een actueel aandachtspunt voor de groep, zegt Richard, is de commercialisering van zijn nanodeeltjes.

Samen met promovendus dr. Anna Henning, hij heeft een online bedrijf gelanceerd, boutiq, om nanodeeltjes te leveren aan internationale wetenschappelijke en technische klanten. Tilley is van plan het bedrijf te laten groeien via Victoria's commercialiseringstak, Vic Link.

"Ik weet hoe moeilijk het is om iets te creëren dat uiteindelijk door de mensheid wordt gebruikt, maar, tegelijkertijd, Ik kan me niet voorstellen ooit onderzoek te doen waarvan ik dacht dat de uitkomst niet nuttig zou zijn."