Verschillende tijdperken van beschaving worden bepaald door de ontdekking van nieuwe materialen, omdat nieuwe materialen nieuwe mogelijkheden aandrijven. En toch, het identificeren van het beste materiaal voor een bepaalde toepassing:katalysatoren, lichtoogststructuren, biodiagnostische etiketten, farmaceutische producten en elektronische apparaten - is traditioneel een langzame en ontmoedigende taak. De mogelijkheden zijn bijna oneindig, vooral op nanoschaal (een nanometer is een miljardste van een meter) waar materiaaleigenschappen - optisch, structureel, elektrisch, mechanisch en chemisch - kan aanzienlijk veranderen, zelfs bij een vaste samenstelling.

Een nieuwe studie die deze week is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ) ondersteunt de werkzaamheid van een potentieel revolutionair nieuw hulpmiddel dat is ontwikkeld aan de Northwestern University om snel miljoenen (zelfs miljarden) nanodeeltjes te testen om te bepalen wat het beste is voor een specifiek gebruik.

"Bij het gebruik van traditionele methoden om nieuwe materialen te identificeren, we hebben nauwelijks de oppervlakte bekrast van wat mogelijk is, " zei Chad A. Mirkin van Northwestern, de corresponderende auteur van de studie en een wereldleider in nanotechnologisch onderzoek en de toepassingen ervan. "Dit onderzoek levert proof-of-concept - dat deze krachtige benadering van ontdekkingswetenschap werkt."

De nieuwe tool maakt gebruik van een combinatorische bibliotheek, of megabibliotheek, van nanodeeltjes op een zeer gecontroleerde manier. (Een combinatorische bibliotheek is een verzameling van systematisch gevarieerde structuren gecodeerd op specifieke plaatsen op een oppervlak). De bibliotheken zijn gemaakt met behulp van Mirkin's Polymer Pen Lithography (PPL) -techniek, die vertrouwt op arrays (sets van data-elementen) met honderdduizenden piramidale tips om individuele polymeer "dots" van verschillende groottes en samenstellingen af ​​te zetten, elk geladen met verschillende metaalzouten van belang, op een oppervlak. Eenmaal verwarmd, deze stippen worden gereduceerd tot metaalatomen die een enkel nanodeeltje vormen met een vaste samenstelling en grootte.

"Door klein te gaan, we creëren twee voordelen bij het ontdekken van materialen met een hoge doorvoer, " zei Mirkin, de George B. Rathmann hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences; hoogleraar chemische en biologische technologie, biomedische technologie en materiaalkunde en techniek aan de McCormick School of Engineering; en uitvoerend directeur van Northwestern's International Institute for Nanotechnology (IIN). "Eerst, we kunnen miljoenen functies in vierkante centimeters inpakken, het creëren van een pad voor het maken van de grootste en meest complexe bibliotheken, daten. Tweede, door te werken op een schaal van minder dan 100 nanometer, grootte kan een bibliotheekparameter worden, en veel van de actie, bijvoorbeeld, op het gebied van katalyse, is op deze lengteschaal."

De nieuwe studie is een samenwerking tussen het IIN van Northwestern en het Air Force Research Laboratory als onderdeel van het US Air Force Centre of Excellence for Advanced Bioprogrammable Nanomaterials in Northwestern. Het team gebruikte een megabibliotheek en een in situ Raman-spectroscopie-gebaseerde screeningtechniek genaamd ARES om Au3Cu (een goud-kopersamenstelling) te identificeren als een nieuwe katalysator voor het synthetiseren van enkelwandige koolstofnanobuizen. (ARES is ontwikkeld door Benji Maruyama, leider, Onderzoeksteam flexibele materialen en processen, Materialen en productie directoraat, Luchtmacht onderzoekslaboratorium, en Rahul Rao, onderzoekwetenschapper, Luchtmacht onderzoekslaboratorium en UES, inc.)

Koolstof nanobuisjes zijn licht, flexibele en sterker dan staal moleculen gebruikt voor energieopslag, medicijnafgifte en eigenschapverbeterende additieven voor veel plastic materialen. Het screeningproces duurde minder dan een week en is duizenden keren sneller dan conventionele screeningmethoden.

"We waren in staat om snel een optimale samenstelling te vinden die de hoogste nanobuisopbrengst veel sneller produceerde dan met conventionele methoden, " zei Maruyama, een studie co-auteur. "De bevindingen suggereren dat we misschien de ultieme ontdekkingstool hebben - een potentiële game changer in het ontdekken van materialen."