Met behulp van rechttoe rechtaan chemie en een mix-and-match, modulaire strategie, onderzoekers hebben een eenvoudige aanpak ontwikkeld die meer dan 65, 000 verschillende soorten complexe nanodeeltjes, elk met maximaal zes verschillende materialen en acht segmenten, met interfaces die kunnen worden benut in elektrische of optische toepassingen. Deze staafvormige nanodeeltjes zijn ongeveer 55 nanometer lang en 20 nanometer breed - ter vergelijking:een mensenhaar is ongeveer 100, 000 nanometer dik - en velen worden beschouwd als de meest complexe ooit gemaakt.

Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, door een team van scheikundigen uit Penn State, verschijnt 24 januari 2020 in het journaal Wetenschap .

"Er is veel interesse in de wereld van nanowetenschap voor het maken van nanodeeltjes die verschillende materialen combineren:halfgeleiders, katalysatoren, magneten, elektronische materialen, " zei Raymond E. Schaak, DuPont hoogleraar materiaalchemie aan Penn State en leider van het onderzoeksteam. "Je kunt denken aan het hebben van verschillende halfgeleiders die aan elkaar zijn gekoppeld om te bepalen hoe elektronen door een materiaal bewegen, of het op verschillende manieren rangschikken van materialen om hun optische, katalytisch, of magnetische eigenschappen. We kunnen computers en chemische kennis gebruiken om veel hiervan te voorspellen, maar het knelpunt zit in het daadwerkelijk maken van de deeltjes, vooral op een voldoende grote schaal zodat je ze ook echt kunt gebruiken."

Het team begint met eenvoudige nanostaafjes bestaande uit koper en zwavel. Vervolgens vervangen ze achtereenvolgens een deel van het koper door andere metalen met behulp van een proces dat 'kationenuitwisseling' wordt genoemd. Door de reactieomstandigheden te veranderen, ze kunnen bepalen waar in de nanostaaf het koper wordt vervangen - aan het ene uiteinde van de staaf, aan beide uiteinden tegelijk, of in het midden. Ze kunnen het proces dan herhalen met andere metalen, die ook op precieze locaties in de nanostaafjes kunnen worden geplaatst. Door tot zeven opeenvolgende reacties uit te voeren met verschillende metalen, ze kunnen een ware regenboog van deeltjes creëren - meer dan 65, 000 verschillende combinaties van metaalsulfidematerialen zijn mogelijk.

"De echte schoonheid van onze methode is de eenvoud, " zei Benjamin C. Steimle, een afgestudeerde student aan Penn State en de eerste auteur van het papier. "Vroeger duurde het maanden of jaren om zelfs maar één type nanodeeltje te maken dat verschillende materialen bevat. Twee jaar geleden waren we erg enthousiast dat we 47 verschillende metaalsulfide-nanodeeltjes konden maken met een eerdere versie van deze aanpak. enkele belangrijke nieuwe vorderingen gemaakt en meer geleerd over deze systemen, we kunnen veel verder gaan dan wat iemand eerder heeft kunnen doen. We zijn nu in staat om nanodeeltjes te produceren met een voorheen onvoorstelbare complexiteit door simpelweg de temperatuur en concentratie te regelen, allemaal met behulp van standaard laboratoriumglaswerk en principes die worden behandeld in een cursus Inleidende chemie."

"Het andere echt opwindende aspect van dit werk is dat het rationeel en schaalbaar is, "zei Schaak. "Omdat we begrijpen hoe alles werkt, kunnen we een zeer complex nanodeeltje identificeren, een manier bedenken om het te maken, en ga dan naar het laboratorium en maak het eigenlijk vrij gemakkelijk. En, deze deeltjes kunnen worden gemaakt in hoeveelheden die bruikbaar zijn. In principe, we kunnen nu maken wat we willen en zo veel als we willen. Er zijn nog steeds beperkingen, natuurlijk - we kunnen niet wachten tot we dit met nog meer soorten materialen kunnen doen - maar zelfs met wat we nu hebben, het verandert hoe we denken over wat mogelijk is om te maken."