Il potere di scoperta del chip genetico sta arrivando alla nanotecnologia. Un team di ricerca della Northwestern University sta sviluppando uno strumento per testare rapidamente milioni e forse anche miliardi o più di nanoparticelle diverse contemporaneamente per individuare la particella migliore per un uso specifico.

Quando i materiali sono miniaturizzati, le loro proprietà:ottiche, strutturale, elettrico, meccanico e chimico:cambiamento, offrendo nuove possibilità. Ma determinare quali dimensioni e composizione delle nanoparticelle sono le migliori per una data applicazione, come catalizzatori, etichette biodiagnostiche, prodotti farmaceutici e dispositivi elettronici, è un compito arduo.

"Come scienziati, abbiamo appena iniziato a studiare quali materiali possono essere realizzati su scala nanometrica, " ha detto Chad A. Mirkin della Northwestern, leader mondiale nella ricerca sulle nanotecnologie e nella sua applicazione, che ha condotto lo studio. "Screening di un milione di nanoparticelle potenzialmente utili, Per esempio, potrebbero volerci diverse vite. Una volta ottimizzato, il nostro strumento consentirà ai ricercatori di scegliere il vincitore molto più velocemente rispetto ai metodi convenzionali. Abbiamo lo strumento di scoperta definitivo."

Usando una tecnica nordoccidentale che deposita materiali su una superficie, Mirkin e il suo team hanno scoperto come creare librerie combinatorie di nanoparticelle in modo molto controllato. (Una libreria combinatoria è una raccolta di strutture sistematicamente variate codificate in siti specifici su una superficie.) Il loro studio sarà pubblicato il 24 giugno dalla rivista Scienza .

Le librerie di nanoparticelle sono molto simili a un chip genetico, Mirkin dice, dove migliaia di punti differenti di DNA sono usati per identificare la presenza di una malattia o di una tossina. Migliaia di reazioni possono essere eseguite contemporaneamente, fornendo risultati in poche ore. Allo stesso modo, Mirkin e le biblioteche del suo team consentiranno agli scienziati di creare e analizzare rapidamente da milioni a miliardi di nanoparticelle di diverse composizioni e dimensioni per le proprietà fisiche e chimiche desiderabili.

"La capacità di creare librerie di nanoparticelle aprirà un nuovo campo della nanocombinatoria, dove le dimensioni, su una scala che conta, e la composizione diventano parametri sintonizzabili, " Ha detto Mirkin. "Questo è un potente approccio alla scoperta della scienza".

Mirkin è il professore di chimica George B. Rathmann al Weinberg College of Arts and Sciences e direttore fondatore dell'International Institute for Nanotechnology della Northwestern.

"Paragono il nostro approccio di nanopattering combinatorio alla fornitura di un'ampia tavolozza di colori audaci a un artista che in precedenza aveva lavorato con una manciata di nero opaco e pallido, pastelli bianchi e grigi, " ha detto il co-autore Vinayak P. Dravid, l'Abraham Harris Professor di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la McCormick School of Engineering.

Utilizzando cinque elementi metallici:oro, d'argento, cobalto, rame e nichel:Mirkin e il suo team hanno sviluppato una serie di strutture uniche variando ogni combinazione di elementi. Nei lavori precedenti, i ricercatori avevano dimostrato che anche il diametro delle particelle può essere variato deliberatamente su una scala di lunghezza da 1 a 100 nanometri.

Alcune delle composizioni possono essere trovate in natura, ma più della metà di loro non è mai esistita prima sulla Terra. E quando viene fotografato utilizzando tecniche di imaging ad alta potenza, le nanoparticelle appaiono come una serie di uova di Pasqua colorate, ogni elemento compositivo contribuisce alla tavolozza.

Per costruire le librerie combinatorie, Mirkin e il suo team hanno utilizzato la nanolitografia Dip-Pen, una tecnica sviluppata alla Northwestern nel 1999, depositare su una superficie singoli "punti" di polimero, " ciascuno caricato con diversi sali metallici di interesse. I ricercatori hanno quindi riscaldato i punti polimerici, riducendo i sali ad atomi di metallo e formando una singola nanoparticella. La dimensione del punto polimerico può essere variata per modificare la dimensione della nanoparticella finale.

Questo controllo sia delle dimensioni che della composizione delle nanoparticelle è molto importante, Mirkin ha sottolineato. Avendo dimostrato il controllo, i ricercatori hanno utilizzato lo strumento per generare sistematicamente una libreria di 31 nanostrutture utilizzando i cinque diversi metalli.

Per aiutare ad analizzare le complesse composizioni elementari e la dimensione/forma delle nanoparticelle fino alla scala sub-nanometrica, la squadra si è rivolta a Dravid, Amico e collaboratore di lunga data di Mirkin. Dravid, direttore fondatore del NUANCE Center della Northwestern, ha contribuito con la sua esperienza e gli avanzati microscopi elettronici di NUANCE per mappare spazialmente le traiettorie compositive delle nanoparticelle combinatorie.

Ora, gli scienziati possono iniziare a studiare queste nanoparticelle e costruire altre utili librerie combinatorie costituite da miliardi di strutture che differiscono leggermente per dimensioni e composizione. Queste strutture potrebbero diventare i prossimi materiali che alimentano le celle a combustibile, raccogliere in modo efficiente l'energia solare e convertirla in combustibili utili, e catalizzare reazioni che prendono materie prime di basso valore dall'industria petrolifera e le trasformano in prodotti di alto valore utili nelle industrie chimiche e farmaceutiche.