Usando una chimica diretta e un mix-and-match, strategia modulare, i ricercatori hanno sviluppato un approccio semplice che potrebbe produrre over 65, 000 diversi tipi di nanoparticelle complesse, ciascuno contenente fino a sei materiali diversi e otto segmenti, con interfacce che potrebbero essere sfruttate in applicazioni elettriche o ottiche. Queste nanoparticelle a forma di bastoncino sono lunghe circa 55 nanometri e larghe 20 nanometri, in confronto un capello umano è di circa 100, 000 nanometri di spessore e molti sono considerati tra i più complessi mai realizzati.

Un documento che descrive la ricerca, da un team di chimici della Penn State, appare il 24 gennaio 2020 sulla rivista Scienza .

"C'è molto interesse nel mondo della nanoscienza nel creare nanoparticelle che combinano diversi materiali:semiconduttori, catalizzatori, magneti, materiale elettronico, " ha detto Raymond E. Schaak, DuPont Professor of Materials Chemistry alla Penn State e leader del gruppo di ricerca. "Puoi pensare di avere diversi semiconduttori collegati tra loro per controllare come gli elettroni si muovono attraverso un materiale, o disponendo i materiali in modi diversi per modificarne l'ottica, catalitico, o proprietà magnetiche. Possiamo usare computer e conoscenze chimiche per prevedere molto di questo, ma il collo di bottiglia è stato effettivamente nel creare le particelle, soprattutto su una scala sufficientemente ampia da poterli effettivamente utilizzare."

Il team inizia con semplici nanotubi composti da rame e zolfo. Quindi sostituiscono in sequenza parte del rame con altri metalli utilizzando un processo chiamato "scambio cationico". Alterando le condizioni di reazione, possono controllare dove nella nanobarra viene sostituito il rame:a un'estremità della bacchetta, ad entrambe le estremità contemporaneamente, o nel mezzo. Possono quindi ripetere il processo con altri metalli, che possono anche essere posizionati in punti precisi all'interno dei nanorod. Eseguendo fino a sette reazioni sequenziali con diversi metalli diversi, possono creare un vero e proprio arcobaleno di particelle:oltre 65, Sono possibili 000 diverse combinazioni di materiali in solfuro metallico.

"La vera bellezza del nostro metodo è la sua semplicità, " ha detto Benjamin C. Steimle, uno studente laureato alla Penn State e il primo autore dell'articolo. "Ci volevano mesi o anni per creare anche un solo tipo di nanoparticella che contenesse diversi materiali. Due anni fa eravamo davvero entusiasti di poter realizzare 47 diverse nanoparticelle di solfuro di metallo utilizzando una versione precedente di questo approccio. Ora che abbiamo ha fatto alcuni nuovi progressi significativi e ha imparato di più su questi sistemi, possiamo andare ben oltre ciò che chiunque è stato in grado di fare prima. Ora siamo in grado di produrre nanoparticelle con una complessità precedentemente inimmaginabile semplicemente controllando la temperatura e la concentrazione, il tutto utilizzando vetreria da laboratorio standard e principi trattati in un corso introduttivo di chimica."

"L'altro aspetto davvero entusiasmante di questo lavoro è che è razionale e scalabile, " ha detto Schaak. "Perché capiamo come funziona tutto, possiamo identificare una nanoparticella altamente complessa, pianifica un modo per farcela, e poi vai in laboratorio e realizzalo abbastanza facilmente. E, queste particelle possono essere prodotte in quantità utili. In linea di principio, ora possiamo fare quello che vogliamo e quanto vogliamo. Ci sono ancora dei limiti, certo, non vediamo l'ora di poterlo fare con ancora più tipi di materiali, ma anche con quello che abbiamo ora, cambia il modo in cui pensiamo a ciò che è possibile realizzare".