Een team van chemici van Penn State heeft een toolkit voor ontwerpers ontwikkeld waarmee ze verschillende niveaus van complexiteit in nanodeeltjes kunnen inbouwen met behulp van een eenvoudige, mix en match proces. "Onderzoekers op uiteenlopende gebieden als geneeskunde, energie, en elektronica ontwerpt vaak complexe nanoschaaldeeltjes waarvan wordt voorspeld dat ze nuttige functies hebben, " zei Raymond E. Schaak, DuPont hoogleraar materiaalchemie aan Penn State en leider van het onderzoeksteam. "Maar het maken ervan in het laboratorium is vaak de bottleneck. Onze strategie kan helpen om dit proces te stroomlijnen." Op 4 mei verschijnt een paper waarin de strategie van het team wordt beschreven en de grote bibliotheek met deeltjes die ze nu kunnen maken. 2018 in het journaal Wetenschap .

Wetenschappers en ingenieurs worden steeds beter in het ontwerpen van nanodeeltjes om water te splitsen met behulp van zonlicht, om kanker te diagnosticeren en te behandelen, en om andere belangrijke problemen op te lossen. Veel van deze 'designer'-deeltjes moeten verschillende soorten halfgeleiders bevatten, katalysatoren, magneten, en andere materialen om te functioneren, dit alles terwijl ze voldoen aan strenge eisen met betrekking tot hun grootte en vorm.

"Het synthetiseren van deze complexe deeltjes wordt een heel moeilijke uitdaging, omdat elk van deze deeltjes een krachttoer vereist om zich voor te bereiden, en dat is niet altijd praktisch, ", aldus Schaak. "We wilden op een meer modulaire manier denken om dit proces gemakkelijker te maken."

De onderzoekers beginnen met wat ze de eerste generatie deeltjes noemen die afmetingen hebben op nanometerschaal en qua grootte vergelijkbaar zijn met virussen. Deze zijn eenvoudig, gemakkelijk te maken kopersulfidebolletjes, staven, en platen die als springplank dienen voor complexere afgeleiden. Deze deeltjes van de eerste generatie bepalen de oorspronkelijke grootte en vorm, en nadat een deel van het koper is vervangen door andere elementen zoals cadmium en zink, ze worden omgezet in deeltjes van de tweede generatie die nu twee materialen bevatten. Het nieuwe materiaal is uitgehouwen in een deel van het oorspronkelijke kopersulfide, het vormen van verschillende soorten lijnen of vormen. Deze lijnen vertegenwoordigen de knooppunten tussen de twee materialen, het definiëren van kaders binnen de deeltjes en het creëren van tweezijdige sferen, sandwich bollen, afgedekte staven, gestreepte staven, fragmentarische platen, en gemarmerde platen.

"De knooppunten brengen een extra designelement op tafel, zei Schaak. "Hier, de materialen in de deeltjes zijn op atomair niveau aan elkaar gekoppeld, en dit kan leiden tot extra functies omdat de materialen nu met elkaar kunnen 'praten'. We kunnen de buitenvorm en grootte van de deeltjes onafhankelijk afstemmen, de materialen die zich in de deeltjes bevinden, en de manieren waarop ze met elkaar verbonden zijn."

Alle deeltjes van de tweede generatie bevatten nog wat kopersulfide. Dit 'overgebleven' kopersulfide kan ook worden vervangen, het produceren van deeltjes van de derde generatie die de grootte en vorm van de eerste generatie en de knooppunten van de tweede generatie behouden, terwijl ze volledig andere materialen bevatten dan de oorspronkelijke deeltjes van de eerste generatie. Hogere generatie deeltjes worden gemaakt door het verder mengen en matchen van verschillende technieken en materialen. uiteindelijk, de onderzoekers genereerden gemakkelijk een bibliotheek van 47 verschillende nanodeeltjes uit de drie eenvoudige bollen van de eerste generatie, staven, en platen.

Sommige van de deeltjes die het team heeft gemaakt, behoren tot de meest complexe die tot nu toe zijn gerapporteerd, inclusief niet-symmetrische deeltjes, deeltjes met gaten en inkepingen erin, en ingewikkeld gebeeldhouwde deeltjes. "Het meest opwindende is hoe gemakkelijk dit werkt. We kunnen gaan zitten en een afbeelding tekenen van een heel complex deeltje dat maanden geleden ondenkbaar was, en ga dan naar het lab en maak het meteen. Dit is echt de toolkit van een ontwerper, ’ zei Schaak.