De ontdekkingskracht van de genchip komt naar nanotechnologie. Een onderzoeksteam van de Northwestern University ontwikkelt een tool om snel miljoenen en misschien zelfs miljarden of meer verschillende nanodeeltjes tegelijk te testen om het beste deeltje voor een specifiek gebruik te bepalen.

Wanneer materialen worden verkleind, hun eigenschappen - optisch, structureel, elektrisch, mechanische en chemische verandering, nieuwe mogelijkheden bieden. Maar bepalen welke nanodeeltjesgrootte en -samenstelling het beste zijn voor een bepaalde toepassing, zoals katalysatoren, biodiagnostische etiketten, farmaceutische en elektronische apparaten, is een ontmoedigende taak.

"Als wetenschappers, we zijn nog maar net begonnen te onderzoeken welke materialen gemaakt kunnen worden op nanoschaal, " zei Chad A. Mirkin van Northwestern, een wereldleider in onderzoek naar nanotechnologie en de toepassing ervan, die de studie leidde. "Het screenen van een miljoen potentieel bruikbare nanodeeltjes, bijvoorbeeld, meerdere levens kan duren. Eenmaal geoptimaliseerd, onze tool stelt onderzoekers in staat om veel sneller de winnaar te kiezen dan conventionele methoden. We hebben de ultieme ontdekkingstool."

Met behulp van een Noordwest-techniek die materialen op een oppervlak deponeert, Mirkin en zijn team kwamen erachter hoe ze op een zeer gecontroleerde manier combinatorische bibliotheken van nanodeeltjes konden maken. (Een combinatorische bibliotheek is een verzameling van systematisch gevarieerde structuren gecodeerd op specifieke plaatsen op een oppervlak.) Hun studie zal op 24 juni worden gepubliceerd door het tijdschrift Wetenschap .

De nanodeeltjesbibliotheken lijken veel op een genchip, Mirkin zegt, waar duizenden verschillende DNA-plekken worden gebruikt om de aanwezigheid van een ziekte of toxine te identificeren. Duizenden reacties kunnen tegelijkertijd worden gedaan, met resultaten in slechts een paar uur. evenzo, De bibliotheken van Mirkin en zijn team zullen wetenschappers in staat stellen om snel miljoenen tot miljarden nanodeeltjes van verschillende samenstellingen en afmetingen te maken en te screenen op gewenste fysische en chemische eigenschappen.

"Het vermogen om bibliotheken van nanodeeltjes te maken, zal een nieuw gebied van nanocombinatoriek openen, waar grootte - op een schaal die ertoe doet - en compositie afstembare parameters worden, "Zei Mirkin. "Dit is een krachtige benadering van ontdekkingswetenschap."

Mirkin is de George B. Rathmann hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences en stichtend directeur van het Northwestern's International Institute for Nanotechnology.

"Ik vergelijk onze combinatorische benadering van nanopatronen met het bieden van een breed palet van gedurfde kleuren aan een kunstenaar die eerder had gewerkt met een handvol dof en lichtzwart, witte en grijze pastelkleuren, " zei co-auteur Vinayak P. Dravid, de Abraham Harris hoogleraar Materials Science and Engineering aan de McCormick School of Engineering.

Met behulp van vijf metalen elementen - goud, zilver, kobalt, koper en nikkel - Mirkin en zijn team ontwikkelden een reeks unieke structuren door elke elementaire combinatie te variëren. In eerder werk, de onderzoekers hadden aangetoond dat de deeltjesdiameter ook bewust kan worden gevarieerd op de lengteschaal van 1 tot 100 nanometer.

Sommige composities zijn te vinden in de natuur, maar meer dan de helft van hen heeft nooit eerder op aarde bestaan. En wanneer afgebeeld met behulp van krachtige beeldvormingstechnieken, de nanodeeltjes lijken op een reeks kleurrijke paaseieren, elk compositorisch element draagt ​​bij aan het palet.

Om de combinatorische bibliotheken te bouwen, Mirkin en zijn team gebruikten Dip-Pen Nanolithography, een techniek die in 1999 in Northwestern is ontwikkeld, om op een oppervlak individuele polymeer "dots, " elk geladen met verschillende metaalzouten van belang. De onderzoekers verwarmden vervolgens de polymeerstippen, het reduceren van de zouten tot metaalatomen en het vormen van een enkel nanodeeltje. De grootte van de polymeerstip kan worden gevarieerd om de grootte van het uiteindelijke nanodeeltje te veranderen.

Deze controle van zowel de grootte als de samenstelling van nanodeeltjes is erg belangrijk, Mirkin benadrukte. Controle hebben aangetoond, de onderzoekers gebruikten de tool om systematisch een bibliotheek van 31 nanostructuren te genereren met behulp van de vijf verschillende metalen.

Om de complexe elementaire samenstellingen en grootte/vorm van de nanodeeltjes te helpen analyseren tot op sub-nanometerschaal, het team wendde zich tot Dravid, Mirkin's oude vriend en medewerker. Dravid, oprichter en directeur van het NUANCE Center van Northwestern, droeg zijn expertise en de geavanceerde elektronenmicroscopen van NUANCE bij om de compositietrajecten van de combinatorische nanodeeltjes ruimtelijk in kaart te brengen.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers kunnen beginnen met het bestuderen van deze nanodeeltjes en het bouwen van andere nuttige combinatorische bibliotheken die bestaan ​​uit miljarden structuren die subtiel verschillen in grootte en samenstelling. Deze structuren kunnen de volgende materialen worden die brandstofcellen aandrijven, zonne-energie efficiënt oogsten en omzetten in bruikbare brandstoffen, en katalyseer reacties die laagwaardige grondstoffen uit de aardolie-industrie halen en deze omzetten in hoogwaardige producten die bruikbaar zijn in de chemische en farmaceutische industrie.