Когда материалы миниатюризируются, их свойства — оптические, структурные, электрические, механические и химические — изменяются, открывая новые возможности. Но определить, какой размер и состав наночастиц лучше всего подходит для конкретного применения, такого как катализаторы, биодиагностические метки, фармацевтические препараты и электронные устройства, является сложной задачей.
«Как ученые, мы только начали исследовать, какие материалы можно изготавливать в наномасштабе», — сказал Чад А. Миркин из Northwestern, мировой лидер в исследованиях нанотехнологий и их применении, руководивший исследованием. «Например, проверка миллиона потенциально полезных наночастиц может занять несколько жизней. После оптимизации наш инструмент позволит исследователям выбирать победителя намного быстрее, чем традиционные методы. У нас есть идеальный инструмент для открытия».Используя северо-западную технику нанесения материалов на поверхность, Миркин и его команда выяснили, как создавать комбинаторные библиотеки наночастиц очень контролируемым образом. (Комбинаторная библиотека — это набор систематически меняющихся структур, закодированных в определенных местах на поверхности.) Их исследование будет опубликовано 24 июня в журнале Science.
По словам Миркина, библиотеки наночастиц очень похожи на генный чип, в котором тысячи различных участков ДНК используются для определения наличия болезни или токсина. Тысячи реакций можно проводить одновременно, что дает результат всего за несколько часов.
Точно так же библиотеки Миркина и его команды позволят ученым быстро создавать и проверять от миллионов до миллиардов наночастиц различного состава и размеров на предмет желаемых физических и химических свойств.«Возможность создавать библиотеки наночастиц откроет новую область нанокомбинаторики, где размер — в значимом масштабе — и состав станут настраиваемыми параметрами», — сказал Миркин. «Это мощный подход к научным открытиям».
Миркин — профессор химии Джорджа Б. Ратмана в Колледже искусств и наук Вайнберга и директор-основатель Северо-западного международного института нанотехнологий.«Я сравниваю наш комбинаторный подход к созданию нанопаттернов с предоставлением широкой палитры ярких цветов художнику, который ранее работал с горсткой тусклых и бледно-черных, белых и серых пастелей», — сказал соавтор Винаяк П. Дравид, Abraham Harris Профессор материаловедения и инженерии инженерной школы Маккормика.
Используя пять металлических элементов — золото, серебро, кобальт, медь и никель — Миркин и его команда разработали ряд уникальных структур, варьируя каждую комбинацию элементов. В предыдущей работе исследователи показали, что диаметр частиц также можно намеренно изменять в масштабе от 1 до 100 нанометров.Некоторые из композиций можно встретить в природе, но больше половины из них никогда раньше не существовали на Земле.
А при изображении с использованием мощных методов визуализации наночастицы выглядят как множество разноцветных пасхальных яиц, каждый композиционный элемент которых вносит свой вклад в палитру.Для создания комбинаторных библиотек Миркин и его команда использовали Dip-Pen Nanolithography, технику, разработанную в Northwestern в 1999 году, для нанесения на поверхность отдельных полимерных «точек», каждая из которых содержит различные соли интересующих металлов. Затем исследователи нагрели полимерные точки, восстановив соли до атомов металлов и сформировав единую наночастицу.
Размер полимерной точки можно варьировать, чтобы изменить размер конечной наночастицы.Миркин подчеркнул, что контроль как размера, так и состава наночастиц очень важен.
Продемонстрировав контроль, исследователи использовали этот инструмент для систематического создания библиотеки из 31 наноструктуры с использованием пяти различных металлов.Чтобы помочь проанализировать сложный элементный состав и размер / форму наночастиц вплоть до субнанометрового масштаба, команда обратилась к Дравиду, давнему другу и сотруднику Миркина.
Дравид, директор-основатель Северо-Западного центра NUANCE, поделился своим опытом и передовыми электронными микроскопами NUANCE для пространственного картирования композиционных траекторий комбинаторных наночастиц.Теперь ученые могут приступить к изучению этих наночастиц, а также создать другие полезные комбинаторные библиотеки, состоящие из миллиардов структур, незначительно отличающихся по размеру и составу.
Эти структуры могут стать следующими материалами, которые приводят в действие топливные элементы, эффективно собирают солнечную энергию и преобразуют ее в полезное топливо, а также катализируют реакции, в результате которых малоценное сырье из нефтяной промышленности превращается в ценные продукты, используемые в химической и фармацевтической промышленности. отрасли.