Diverse epoche di civiltà sono definite dalla scoperta di nuovi materiali, come nuovi materiali guidano nuove capacità. E ancora, identificare il materiale migliore per una data applicazione:catalizzatori, strutture per la raccolta della luce, etichette biodiagnostiche, prodotti farmaceutici e dispositivi elettronici, è tradizionalmente un compito lento e scoraggiante. Le opzioni sono quasi infinite, in particolare su scala nanometrica (un nanometro è un miliardesimo di metro) dove le proprietà del materiale - ottiche, strutturale, elettrico, meccanico e chimico:può cambiare in modo significativo, anche a composizione fissa.

Un nuovo studio pubblicato questa settimana su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ) sostiene l'efficacia di un nuovo strumento potenzialmente rivoluzionario sviluppato presso la Northwestern University per testare rapidamente milioni (anche miliardi) di nanoparticelle per determinare la migliore per un uso specifico.

"Quando si utilizzano metodi tradizionali per identificare nuovi materiali, abbiamo appena scalfito la superficie di ciò che è possibile, " ha detto Chad A. Mirkin della Northwestern, l'autore corrispondente dello studio e leader mondiale nella ricerca sulle nanotecnologie e nelle sue applicazioni. "Questa ricerca fornisce la prova del concetto:questo potente approccio alla scoperta della scienza funziona".

Il nuovo strumento utilizza una libreria combinatoria, o megabiblioteca, di nanoparticelle in modo molto controllato. (Una libreria combinatoria è una raccolta di strutture sistematicamente variate codificate in siti specifici su una superficie). Le librerie sono create utilizzando la tecnica Polymer Pen Lithography (PPL) di Mirkin, che si basa su array (insiemi di elementi di dati) con centinaia di migliaia di punte piramidali per depositare singoli "punti" polimerici di varie dimensioni e composizione, ciascuno caricato con diversi sali metallici di interesse, su una superficie. Una volta riscaldato, questi punti sono ridotti ad atomi di metallo formando una singola nanoparticella a composizione e dimensioni fisse.

"Andando piccolo, creiamo due vantaggi nella scoperta di materiali ad alta produttività, " disse Mirkin, il professore di chimica George B. Rathmann al Weinberg College of Arts and Sciences; professore di ingegneria chimica e biologica, ingegneria biomedica e scienza e ingegneria dei materiali presso la McCormick School of Engineering; e direttore esecutivo dell'International Institute for Nanotechnology (IIN) della Northwestern. "Primo, possiamo racchiudere milioni di funzioni in aree di centimetri quadrati, creare un percorso per realizzare le librerie più grandi e complesse, ad oggi. Secondo, lavorando su una scala di lunghezza inferiore a 100 nanometri, la dimensione può diventare un parametro di libreria, e gran parte dell'azione, Per esempio, nel campo della catalisi, è su questa scala di lunghezze."

Il nuovo studio è una partnership tra l'IIN di Northwestern e l'Air Force Research Laboratory come parte del Centro di eccellenza dell'aeronautica statunitense per i nanomateriali bioprogrammabili avanzati della Northwestern. Il team ha utilizzato una megabiblioteca e una tecnica di screening basata sulla spettroscopia Raman in situ chiamata ARES per identificare Au3Cu (una composizione oro-rame) come nuovo catalizzatore per la sintesi di nanotubi di carbonio a parete singola. (ARES è stato sviluppato da Benji Maruyama, capo, Team di ricerca su materiali e processi flessibili, Direzione dei materiali e della produzione, Laboratorio di ricerca aeronautica, e Rahul Rao, ricercatore, Laboratorio di ricerca aeronautica e UES, Inc.)

I nanotubi di carbonio sono leggeri, molecole flessibili e più forti dell'acciaio utilizzate per lo stoccaggio di energia, somministrazione di farmaci e additivi che migliorano le proprietà di molti materiali plastici. Il processo di screening ha richiesto meno di una settimana per essere completato ed è migliaia di volte più veloce rispetto ai metodi di screening convenzionali.

"Siamo stati in grado di individuare rapidamente una composizione ottimale che ha prodotto la più alta resa di nanotubi molto più velocemente rispetto all'utilizzo di metodi convenzionali, " disse Maruyama, un coautore dello studio. "I risultati suggeriscono che potremmo avere lo strumento di scoperta definitivo, un potenziale punto di svolta nella scoperta dei materiali".