Onconventionele experimenten produceren nieuwe deeltjes op nanoschaal met een groot potentieel

Nanodeeltjes zijn complexe materialen kleiner dan 100 nanometer, of ongeveer de grootte van een virus, maar ze hebben een groot aantal potentiële toepassingen, van medicijnen tot energie tot elektronica. Nu zijn er honderden nieuwe nanodeeltjes met voorheen onbekende kenmerken geproduceerd met behulp van een innovatieve experimentele aanpak.

Chemici maken materialen meestal door de beste omstandigheden te vinden om zich op een enkel product te richten. Er zijn bijvoorbeeld nanodeeltjes ontwikkeld om krasvaste brillen en transparante zonnebrandcrème te produceren. Een onderzoeksteam van Penn State zette deze aanpak op zijn kop door met opzet niet-geoptimaliseerde omstandigheden te gebruiken om veel producten tegelijk te produceren.

Door deze aanpak konden ze nieuwe nanodeeltjes ontdekken, die veel verschillende materialen in verschillende arrangementen combineren. Vervolgens analyseerden ze deze nanodeeltjes om nieuwe richtlijnen te ontwikkelen waarmee ze monsters met hoge opbrengst konden maken van de meest interessante soorten nieuwe nanodeeltjes.

Nanodeeltjes die mogelijk kunnen worden gebruikt om water te splitsen met behulp van zonlicht, kanker te diagnosticeren en te behandelen en andere belangrijke problemen op te lossen, kunnen worden voorspeld en ontworpen. Deze deeltjes moeten mogelijk verschillende soorten halfgeleiders, katalysatoren, magneten en andere materialen bevatten om te kunnen functioneren, terwijl strikte vereisten met betrekking tot hun grootte en vorm worden gehandhaafd.

“Er zijn een aantal regels die wij en anderen op dit gebied hebben ontwikkeld waarmee we veel verschillende soorten nanodeeltjes kunnen maken”, zegt Raymond Schaak, DuPont-hoogleraar materiaalchemie aan Penn State en de leider van het onderzoeksteam. .

“We kunnen ook voorspellen, vooral met behulp van computers, tienduizenden verschillende nanodeeltjes die heel interessant zouden kunnen zijn om te bestuderen, maar we hebben geen idee hoe we de meeste ervan kunnen maken. We hebben nieuwe regels nodig waarmee we nanodeeltjes kunnen maken met nieuwe eigenschappen, nieuwe functies of nieuwe toepassingen, waardoor we beter kunnen afstemmen op de snelheid waarmee ze kunnen worden voorspeld.”

De huidige set regels, of ontwerprichtlijnen, die beschikbaar zijn voor onderzoekers beperkt de verscheidenheid aan nanodeeltjes die ze kunnen produceren, dus zetten de onderzoekers experimenten op onder niet-geoptimaliseerde en voorheen onontdekte omstandigheden om te zien of ze nieuwe soorten deeltjes konden maken die dat niet eerder waren. ontdekt.

“Wat we doen kan worden omschreven als ‘ontdekking zonder doel'”, zegt Connor R. McCormick, een afgestudeerde student scheikunde aan Penn State en de eerste auteur van het artikel.

“Als je een doel in gedachten hebt, probeer je de chemie te moduleren om dat doel te halen, maar je moet van tevoren weten welke factoren je moet moduleren – je moet de regels kennen. Wat zo opwindend is aan onze aanpak is dat we ons door de chemie laten leiden en ons laten zien wat er mogelijk is. We kunnen dan de producten karakteriseren en ontdekken wat we kunnen beheersen om ze opzettelijk te produceren.”

De onderzoekers beginnen met relatief eenvoudige staafvormige nanodeeltjes die zijn samengesteld uit een enkel materiaal, kopersulfide, dat geladen atomen (“kationen”) van koper bevat. Ze kunnen dan een deel of al het koper in de deeltjes vervangen door andere metalen met behulp van een proces dat ‘kationenuitwisseling’ wordt genoemd.

De rangschikking van de metalen in de deeltjes en de grensvlakken daartussen bepalen de eigenschappen van de deeltjes. Over het algemeen wordt dit proces metaal voor metaal uitgevoerd met behulp van experimentele omstandigheden die zijn geoptimaliseerd om de kationenuitwisselingsreactie nauwkeurig te regelen. Hier voegden de onderzoekers in één experiment tegelijkertijd vier verschillende metaalkationen toe onder omstandigheden die niet waren geoptimaliseerd voor een bepaalde uitwisseling van metaalkationen. Vervolgens karakteriseerden ze de resulterende deeltjes nauwgezet met behulp van elektronenmicroscopie en röntgendiffractie.

“In tegenstelling tot de meeste experimenten, die zijn opgezet om samen te komen in een enkel product, was ons doel om het experiment zo op te zetten dat de diversiteit aan nanodeeltjes die we produceerden, werd gemaximaliseerd”, zei McCormick. “Van de 201 deeltjes die we uit één experiment hebben geanalyseerd, waren er 102 uniek en veel van hen konden niet opzettelijk zijn geproduceerd met behulp van bestaande ontwerprichtlijnen.”

Het team voerde vervolgens het experiment uit met licht gewijzigde variabelen, waarbij de temperatuur van de reactie of de relatieve hoeveelheid en variëteit van metaalkationen veranderde. Door dit te doen, produceerden ze nog complexere nanodeeltjes en konden ze uiteindelijk de nieuwe regels achterhalen die verklaarden hoe de nieuwe soorten nanodeeltjes waren gevormd.

Ten slotte koos het team een ​​van de nieuwe producten en gebruikte het de nieuwe ontwerprichtlijnen om het efficiënt in grotere hoeveelheden te produceren.

“Uiteindelijk zou deze aanpak kunnen worden gebruikt om nieuwe deeltjes met specifieke eigenschappen te screenen, maar momenteel concentreren we ons op het zoveel mogelijk leren over wat allemaal mogelijk is om te maken”, zei Schaak. “We hebben aangetoond dat deze verkennende benadering ons inderdaad kan helpen om deze ‘nieuwe regels’ te identificeren en ze vervolgens te gebruiken om op rationele wijze nieuwe complexe nanodeeltjes met hoge opbrengst te produceren.”

Het artikel waarin deze experimenten worden beschreven, verschijnt in het tijdschrift Natuur Synthese.