Het dimensioneren van nanodeeltjes met behulp van met vloeistof gevulde buizen

De functionaliteit van nanodeeltjes in tal van toepassingen, waaronder medicijnafgifte en nano-optica, wordt vaak bepaald door hun massa en grootte. Het gelijktijdig meten van deze eigenschappen voor hetzelfde nanodeeltje was ook een uitdaging.

Nu hebben wetenschappers van de Universiteit van Melbourne en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) ontdekt dat deze meetprestatie kan worden uitgevoerd door de nanodeeltjes, in hun oorspronkelijke oplossing, door een goedkope en eenvoudige mechanische buis te leiden.

In een artikel dat vandaag in Nature Communications is gepubliceerd, beschrijven onderzoekers hoe ze de ontdekking deden met behulp van bestaande instrumenten en nieuwe wiskunde.

Eenvoudige massabalansen werken door de frequentie van een mechanische resonator te volgen. Maar kunnen deze balansen ook worden gebruikt om de grootte te meten? Om deze vraag te beantwoorden, bestudeerde het team hoe nanodeeltjes bewegen wanneer ze in een mechanische, met vloeistof gevulde buis worden geplaatst die vibreert.

Jesse F. Collis, co-hoofdauteur en onderzoeker van de Universiteit van Melbourne, zegt dat “terwijl eerdere toepassingen zich concentreerden op de op-en-neerbeweging van nanodeeltjes ten opzichte van de omringende vloeistof, we ons afvroegen wat het effect van rotatiebeweging was. “

MIT postdoctoraal fellow en co-hoofdauteur, Georgios Katsikis, maakte de belangrijkste experimentele observatie dat de vibratie van de buis kan veranderen, zelfs als de buis niet op en neer trilt.

“Dit verraste me. Iedereen had gedacht dat geen op-en-neer beweging geen signaal betekende. We wilden begrijpen wat er achter dit signaal zat.”

Wetenschappers dachten eerder dat als je een nanodeeltje in een buis laat drijven en het schudt, de reactie evenredig zou zijn met de massa van het deeltje. Maar de nieuwe studie toont aan dat er, naast deze goed begrepen reactie, een tweede reactie bestaat die evenredig is met de grootte van het deeltje.

“Kortom, het nanodeeltje creëert een gat in de vloeistof dat de vloeistofstroom verandert,” zei Dr. Collis. “Het is dit fenomeen dat ons in staat stelt nieuwe wiskunde te ontwikkelen om de buistrilling aan het gat te koppelen, en dus de deeltjesgrootte naast de massa.”

De bevindingen hebben belangrijke implicaties voor de biotechnologie, waar kennis van deeltjesgrootte kan worden gebruikt om de bestaande toepassingen van massa te vergroten. Virale vectoren bij de ontwikkeling van vaccins kunnen worden gewogen om te controleren of DNA met succes in een virus is verpakt. Grootte kan informatie verschaffen als het virus klonten van aggregaten vormt, wat de werkzaamheid van de behandeling vermindert.

Corresponderende auteurs, professor John Sader (Universiteit van Melbourne) en professor Scott Manalis (MIT), leidden de wiskundige en experimentele aspecten van het onderzoek.

De bevindingen zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie.