Разработчик химиков для создания сложных наночастиц

Химики штата Пенн создали конструкторский инструментарий, который позволяет им создавать различные уровни сложности в наночастицах с помощью простой, смешанной и совпадающей процедуры.

« Исследователи в таких разнообразных областях, как медицина, энергия и электроника, часто проектируют сложные наноразмерные частицы, которые, как прогнозируют, обладают полезными функциями», – сказал Раймонд Шаак, профессор химии материалов в Пенне и руководитель исследовательской группы. «Но делать их в лаборатории часто является узким местом. Наша стратегия может помочь упростить этот процесс ». В выпуске журнала Science появилась статья, поясняющая план команды и большую библиотеку частиц, которую они теперь могут создать.

Новый набор инструментов для микширования и сопоставления позволяет исследователям создавать библиотеку сложных наночастиц, которая может использоваться в медицинских, энергетических и электронных приложениях , Первичные (G-1) сферы, стержни и пластины превращаются в 47 все более сложных частиц более высокого поколения (G-2, G-3, G-4) через последовательности химических реакций. На изображении каждый цвет представляет собой отдельный материал, а для нескольких типов частиц показаны изображения электронного микроскопа. (Image credit: Schaak Laboratory, Penn State)

Исследователи и инженеры становятся намного лучше разрабатывать наночастицы для диагностики и лечения рака, для разделения воды с использованием солнечного света и для решения других важных проблем. Ряд этих «дизайнерских» частиц должен включать в себя множество полупроводников, магнитов, катализаторов и других материалов для работы, все время придерживаясь строгих требований, касающихся их формы и размера.

Синтез этих сложных частиц становится действительно сложной задачей, потому что каждая из этих частиц требует усилий, направленных на то, чтобы подготовиться, и это не всегда практично. Мы хотели думать более модульно, чтобы облегчить этот процесс.

Раймонд Э. Шаак

Ученые начинают с того, что они называют частицами первого поколения с наноразмерными размерами и похожи по размерам на вирусы. Это простые, легкие в создании медные сульфидные сферы, пластины и стержни, которые действуют как трамплины для более многогранных производных. Эти частицы первого поколения определяют предварительную форму и размер, а после замены некоторой части меди другими элементами, такими как цинк и кадмий, они заменяются на частицы второго поколения, которые в настоящее время включают в себя два материала. Новый материал выгравирован на части исходного сульфида меди, образуя различные типы форм или линий. Эти линии обозначают соединения между двумя материалами, устанавливают каркасы внутри частиц и производят полосатые стержни, укупоренные стержни, сэндвич-сферы, двухликие сферы, мраморные пластины и пятнистые пластины.

Переходы приносят дополнительный элемент дизайна в таблицу. Здесь материалы внутри частиц соединены вместе на атомном уровне, и это может привести к дополнительным функциям, потому что материалы теперь могут «разговаривать» друг с другом. Мы можем независимо настраивать внешнюю форму и размер частиц, материалы, находящиеся внутри частиц, и способы, с которыми они связаны.

Раймонд Э. Шаак

Все частицы второго поколения по-прежнему содержат небольшой сульфид меди. Этот «остаточный» сульфид меди также может быть заменен, создавая частицы третьего поколения, которые сохраняют форму и размер первого поколения и соединения второго поколения, в то время как содержат совершенно разные материалы, чем исходные частицы первого поколения. Частицы более высокого поколения создаются путем дальнейшего смешивания и сопоставления различных методов и материалов. Со временем команда легко сформировала библиотеку из 47 отдельных наночастиц из трех простых стержней первого поколения, сфер и пластин.

Некоторые из частиц, созданных исследователями, относятся к числу наиболее сложных до сих пор, включая частицы с отверстиями и вырезами в них, несимметричные частицы и замысловатые скульптурные частицы. « Самое интересное в том, как легко это работает. Мы можем сесть и нарисовать картину очень сложной частицы, которая была немыслима несколько месяцев назад, а затем пойти в лабораторию и сразу ее сделать. Это действительно дизайнерский инструментарий », – сказал Шаак.

Помимо Шаак, в состав исследовательской группы вошли Джулия Л. Фентон и Бенджамин С. Стимль в штате Пенсильвания. Национальный научный фонд США финансировал исследования.

Source link