Un team di chimici della Penn State ha sviluppato un kit di strumenti per designer che consente loro di costruire vari livelli di complessità in nanoparticelle utilizzando un semplice, processo di mix and match. "Ricercatori in aree diverse come la medicina, energia, e l'elettronica spesso progettano complesse particelle su nanoscala che si prevede abbiano funzioni utili, " ha detto Raymond E. Schaak, DuPont Professor of Materials Chemistry alla Penn State e leader del gruppo di ricerca. "Ma realizzarli in laboratorio è spesso il collo di bottiglia. La nostra strategia può aiutare a semplificare questo processo". Un documento che descrive la strategia del team e la vasta libreria di particelle che possono ora creare appare il 4 maggio. 2018 sulla rivista Scienza .

Scienziati e ingegneri stanno migliorando sempre di più nella progettazione di nanoparticelle per dividere l'acqua usando la luce solare, per diagnosticare e curare il cancro, e per risolvere altri importanti problemi. Molte di queste particelle "designer" devono includere vari tipi di semiconduttori, catalizzatori, magneti, e altri materiali per funzionare, il tutto soddisfacendo requisiti rigorosi in termini di dimensioni e forma.

"Sintetizzare queste particelle complesse diventa una sfida davvero difficile, perché ognuna di queste particelle richiede uno sforzo tour-de-force per prepararsi, e questo non è sempre pratico, " ha detto Schaak. "Volevamo pensare in modo più modulare per rendere più facile questo processo".

I ricercatori iniziano con quelle che chiamano particelle di prima generazione che hanno dimensioni su scala nanometrica e sono di dimensioni simili ai virus. Questi sono semplici, sfere di solfuro di rame facili da realizzare, canne, e piastre che fungono da trampolino di lancio per derivati ​​più complessi. Queste particelle di prima generazione definiscono la dimensione e la forma iniziali, e dopo aver sostituito parte del rame con altri elementi come cadmio e zinco, si trasformano in particelle di seconda generazione che ora includono due materiali. Il nuovo materiale è scolpito in una porzione del solfuro di rame originale, formando vari tipi di linee o forme. Queste linee rappresentano le giunzioni tra i due materiali, definendo strutture all'interno delle particelle e creando sfere bifronti, sfere sandwich, canne ricoperte, canne rigate, piatti irregolari, e piatti marmorizzati.

"Le giunzioni portano in tavola un ulteriore elemento di design, " disse Schaak. "Ecco, i materiali all'interno delle particelle sono accoppiati tra loro a livello atomico, e questo può portare a funzioni aggiuntive perché i materiali ora possono "parlare" tra loro. Possiamo regolare indipendentemente la forma e le dimensioni esterne delle particelle, i materiali che sono all'interno delle particelle, e i modi in cui sono collegati."

Tutte le particelle di seconda generazione contengono ancora del solfuro di rame. Anche questo solfuro di rame "avanzo" può essere sostituito, producendo particelle di terza generazione che conservano le dimensioni e la forma della prima generazione e le giunzioni di seconda generazione mentre contengono materiali completamente diversi rispetto alle particelle originali di prima generazione. Le particelle di generazione superiore vengono prodotte mediante un'ulteriore miscelazione e abbinamento di varie tecniche e materiali. In definitiva, i ricercatori hanno facilmente generato una libreria di 47 nanoparticelle distinte dalle tre semplici sfere di prima generazione, canne, e piatti.

Alcune delle particelle che il team ha realizzato sono tra le più complesse riportate fino ad oggi, comprese le particelle non simmetriche, particelle con buchi e tacche in esse, e particelle finemente scolpite. "La cosa più eccitante è la facilità con cui funziona. Possiamo sederci e disegnare un'immagine di una particella davvero complessa che era impensabile mesi fa, e poi vai in laboratorio e fallo subito. Questo è davvero un kit di strumenti per designer, " ha detto Schaak.