Hoewel nanodeeltjes klinken als een recente ontdekking, deze kleine structuren worden al eeuwenlang gebruikt. De beroemde Lycurgus-beker, gemaakt door Romeinse ambachtslieden uit de 4e eeuw, kenmerken dichroïsch glas, met gouden en zilveren nanodeeltjes erdoorheen gestrooid, een groen uiterlijk produceren wanneer er van voren licht op schijnt, en een rood uiterlijk wanneer het van achteren wordt verlicht.

In de eeuwen sinds de tijd van de oude ambachtslieden, onderzoekers hebben een lange weg afgelegd in het begrijpen van nanodeeltjes. De productie van nanokubussen is van bijzonder belang vanwege hun potentiële toepassingen als biosensoren en gassensoren. Nanodeeltjes kunnen worden geproduceerd met behulp van fysieke of chemische methoden, hoewel fysieke methoden voordelig zijn vanwege de afwezigheid van organische verontreinigingen die gewoonlijk door chemische methoden worden geïntroduceerd. Echter, nanokubussen van uniforme grootte zijn moeilijk met fysieke methoden in voldoende hoeveelheden te produceren. Onderzoekers van de Nanoparticles by Design Unit van de Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) Graduate University hebben onlangs een nieuwe aanpak ontdekt om dit probleem op te lossen. Hun onderzoek is onlangs gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen .

"De kubusvorm is niet de laagste energiestructuur voor ijzeren nanodeeltjes", legt Dr. Jerome Vernieres uit, eerste auteur van de publicatie, "dus, we konden niet vertrouwen op overwegingen van evenwichtsthermodynamica om deze nanokubussen zelf te assembleren". de OIST-wetenschappers, onder leiding van Prof. Mukhles Sowwan, maakten gebruik van de mogelijkheden die worden geboden door een techniek genaamd magnetron-sputterende condensatie van inert gas om hun ijzeren nanokubussen te maken. Met deze methode, argongas wordt eerst opgewarmd en omgezet in geïoniseerd plasma. Vervolgens, een magneet, op een geschikte plaats achter een doel gemaakt van het gewenste materiaal, in dit geval, ijzer, regelt de vorm van het plasma, en zorgt ervoor dat argonionen het doelwit bombarderen; vandaar de naam "magnetron". Als resultaat, ijzeratomen worden weg gesputterd van het doelwit, botsen met argonatomen en met elkaar, en nanodeeltjes vormen. Nauwkeurige besturing van het plasma via besturing van het magnetische veld kan uniforme nanokubussen produceren. "Uniformiteit is essentieel bij het detecteren van toepassingen. We hadden een manier nodig om de grootte, vorm, en het aantal nanokubussen tijdens hun productie", verklaarde Dr. Stephan Steinhauer.

Om de grootte en vorm van deze kubussen te regelen, de onderzoekers maakten een eenvoudige maar belangrijke observatie:ijzer is op zichzelf magnetisch! Met andere woorden, de onderzoekers ontdekten dat ze het intrinsieke magnetisme van het doelwit zelf konden benutten als een innovatieve manier om het magnetische veld van de magnetron te wijzigen. Op deze manier slaagden ze erin het plasma te manipuleren waar de deeltjes groeien, en dus om de nanokubusgroottes tijdens de vorming te regelen. "Dit is de eerste keer dat uniforme ijzeren nanokubussen zijn gemaakt met behulp van een fysieke methode die kan worden geschaald voor massaproductie", verduidelijkt Vernieres. Om de mechanica van dit proces beter te begrijpen, het OIST-team werkte samen met onderzoekers van de Universiteit van Helsinki om theoretische berekeningen te maken. "Het werk was sterk afhankelijk van zowel experimentele methoden als theoretische berekeningen. De simulaties waren belangrijk voor ons om de fenomenen die we observeerden te verklaren", verlicht Dr. Panagiotis Grammatikopoulos.

Toen de onderzoekers een manier bedachten om deze uniforme ijzeren kubussen te maken, de volgende stap was het bouwen van een elektronisch apparaat dat deze nanokubussen kan gebruiken voor detectietoepassingen. "We merkten dat deze kubussen extreem gevoelig waren voor de niveaus van gasvormig NO2. NO2-detectie wordt voor verschillende doeleinden gebruikt, van diagnose van astmapatiënten tot het opsporen van milieuvervuiling, dus we zagen meteen een aanvraag voor ons werk", stelt Steinhauer. De onderzoekers van de Nanoparticles by Design Unit, in samenwerking met onderzoekers van de Université de Toulouse, bouwde vervolgens een prototype NO2-sensor die de verandering in elektrische weerstand van de ijzeren nanokubussen als gevolg van blootstelling aan NO2-gas meet. Omdat blootstelling aan zelfs een zeer kleine hoeveelheid NO2 een meetbare verandering in elektrische weerstand kan veroorzaken die aanzienlijk groter is dan bij andere luchtverontreinigende stoffen, de op ijzeren nanocube gebaseerde sensor is zowel extreem gevoelig als specifiek. "Deze nanokubussen hebben veel potentiële toepassingen. Het feit dat we een relatief grote hoeveelheid uniforme nanokubussen kunnen produceren met behulp van een steeds vaker voorkomende synthesemethode, maakt dit onderzoek zeer veelbelovend voor industriële toepassingen, ’ benadrukt Vernières.