Nieuwe klasse van poreuze metalen nanodeeltjes zal nieuwe mogelijkheden opleveren op het gebied van absorptie, chemische detectie en scheidingen

Onderzoekers van de Northwestern University hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt in de manier waarop ze exotische superroosters met een open raamwerk maken van holle metalen nanodeeltjes.

Met behulp van minuscule holle deeltjes, metalen nanoframes genaamd, en deze te modificeren met geschikte DNA-sequenties, ontdekte het team dat ze superroosters met open kanalen konden synthetiseren met poriën variërend van 10 tot 1.000 nanometer in groottes die tot nu toe moeilijk toegankelijk waren. Deze nieuwe controle over porositeit stelt onderzoekers in staat om deze colloïdale kristallen te gebruiken bij moleculaire absorptie en opslag, scheidingen, chemische detectie, katalyse en vele optische toepassingen.

De nieuwe studie identificeert 12 unieke poreuze superroosters van nanodeeltjes met controle over symmetrie, geometrie en porieconnectiviteit om de generaliseerbaarheid van nieuwe ontwerpregels te benadrukken als een route naar het maken van nieuwe materialen.

De paper is vandaag (26 oktober) gepubliceerd in het tijdschrift Natuur.

Chad A. Mirkin, de George B. Rathmann hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern en directeur van het International Institute for Nanotechnology, zei dat de nieuwe bevindingen een brede impact zullen hebben in nanotechnologie en daarbuiten.

“We moesten opnieuw nadenken over wat we wisten over DNA-binding met colloïdale deeltjes”, zei Mirkin, die het onderzoek leidde. “Met deze nieuwe soorten holle nanokristallen waren de bestaande regels voor kristaltechnologie niet toereikend. Nanodeeltjesassemblage aangedreven door ‘edge-bonding’ stelt ons in staat toegang te krijgen tot een breed scala aan kristallijne structuren waartoe we geen toegang hebben via conventionele ‘face-bonding’, de traditionele manier waarop we denken over structuurvorming op dit gebied. Deze nieuwe structuren leiden tot nieuwe kansen, zowel vanuit wetenschappelijk als technologisch oogpunt.”

Mirkin, een leider in nanochemie, is ook hoogleraar chemische en biologische engineering, biomedische technologie en materiaalwetenschappen en engineering aan de McCormick School of Engineering en hoogleraar geneeskunde aan de Northwestern University Feinberg School of Medicine.

Het team van Mirkin gebruikt al meer dan twee decennia de programmeerbaarheid van DNA om kristallen met ongebruikelijke en nuttige eigenschappen te synthetiseren; het concept verbreden met holle deeltjes is een grote stap in de richting van een meer universele benadering van het begrijpen en beheersen van colloïdale kristalvorming.

De natuur gebruikt colloïdale kristallen om de kleuren van organismen te beheersen, waaronder vlindervleugels en de veranderlijke kleur in de huid van een kameleon. De in het laboratorium gegenereerde structuren van Mirkin – vooral de poreuze, waardoor moleculen, materialen en zelfs licht kunnen reizen – zullen wetenschappers en ingenieurs uitdagen om er nieuwe apparaten van te maken.

Vinayak Dravid, de Abraham Harris Professor of Materials Science and Engineering in McCormick en een auteur van het artikel, voegde toe dat veel industriële chemische processen afhankelijk zijn van zeolieten, een andere klasse van synthetische poreuze materialen.

“Er zijn veel beperkingen aan zeolieten omdat deze worden gemaakt door fysieke regels die opties beperken,” zei Dravid. “Maar wanneer DNA als een binding wordt gebruikt, zorgt het voor een grotere diversiteit aan structuren en een veel grotere verscheidenheid aan poriegroottes, en dus een breed scala aan eigenschappen.”

De mogelijkheid om de poriegrootte en verbindingen tussen poriën te regelen, opent een reeks mogelijke toepassingen. De auteurs laten bijvoorbeeld zien dat poreuze superroosters een interessant optisch gedrag vertonen dat een negatieve brekingsindex wordt genoemd en die niet in de natuur voorkomt en alleen toegankelijk is met geconstrueerde materialen.

“In dit werk ontdekten we hoe superroosters met open kanalen nieuwe soorten optische metamaterialen kunnen zijn die een negatieve brekingsindex mogelijk maken”, zegt Koray Aydin, ook een auteur op het papier en een universitair hoofddocent elektrische en computertechniek in McCormick . “Dergelijke metamaterialen maken spannende toepassingen mogelijk, zoals cloaking en superlensing, het in beeld brengen van superkleine objecten met microscopie.”

De onderzoekers blijven samenwerken om het werk vooruit te helpen.

“We moeten deze nieuwe ontwerpregels toepassen op nanoporeuze metalen structuren gemaakt van andere metalen, zoals aluminium, en we moeten het proces opschalen”, zei Mirkin. “Deze praktische overwegingen zijn erg belangrijk in de context van hoogwaardige optische apparaten. Een dergelijke vooruitgang zou echt transformatief kunnen zijn.”