Una megalobiblioteca de nanopartículas
Un enfoque químico simple y modular podría producir más de 65.000 tipos diferentes de nanorodios complejos
Usando química directa y una estrategia modular de mezcla y combinación, los investigadores han desarrollado un enfoque simple que podría producir más de 65.000 tipos diferentes de nanopartículas complejas, cada una conteniendo hasta seis materiales diferentes y ocho segmentos, con interfaces que podrían ser explotadas en aplicaciones eléctricas u ópticas. Estas nanopartículas en forma de varilla tienen unos 55 nanómetros de largo y 20 nanómetros de ancho, en comparación con un cabello humano que tiene unos 100.000 nanómetros de grosor, y se considera que muchas de ellas están entre las más complejas jamás fabricadas. Un artículo que describe la investigación, por un equipo de químicos de Penn State, apareció el 24 de enero de 2020 en la revista Science.
Un enfoque químico simple y modular podría producir más de 65.000 tipos diferentes de nanorodios complejos. Se muestran imágenes de microscopio electrónico para 32 de estos nanorodios, que se forman con varias combinaciones de materiales. Cada color representa un material diferente.
Schaak Laboratory, Penn State
"Hay mucho interés en el mundo de la nanociencia por fabricar nanopartículas que combinen varios materiales diferentes -semiconductores, catalizadores, imanes, materiales electrónicos", dijo Raymond E. Schaak, Profesor de Química de Materiales de DuPont en Penn State y líder del equipo de investigación. "Puedes pensar en tener diferentes semiconductores unidos para controlar cómo se mueven los electrones a través de un material, o arreglar los materiales de diferentes maneras para modificar sus propiedades ópticas, catalíticas o magnéticas. Podemos usar las computadoras y el conocimiento químico para predecir mucho de esto, pero el cuello de botella ha estado en la fabricación de las partículas, especialmente a una escala lo suficientemente grande como para poder usarlas".
El equipo comienza con simples nanorodios compuestos de cobre y azufre. Luego reemplazan secuencialmente parte del cobre con otros metales usando un proceso llamado "intercambio de cationes". Alterando las condiciones de la reacción, pueden controlar en qué parte del nanorodo se reemplaza el cobre, en un extremo de la varilla, en ambos extremos simultáneamente, o en el medio. Luego pueden repetir el proceso con otros metales, que también pueden ser colocados en lugares precisos dentro de los nanorodios. Realizando hasta siete reacciones secuenciales con varios metales diferentes, pueden crear un verdadero arco iris de partículas - más de 65.000 combinaciones diferentes de materiales de sulfuro metálico son posibles.
"La verdadera belleza de nuestro método es su simplicidad", dijo Benjamin C. Steimle, un estudiante graduado de Penn State y el primer autor del artículo. "Solía llevar meses o años hacer incluso un tipo de nanopartícula que contiene varios materiales diferentes. Hace dos años estábamos muy entusiasmados con la idea de poder fabricar 47 nanopartículas de sulfuro metálico diferentes utilizando una versión anterior de este enfoque. Ahora que hemos hecho algunos nuevos avances significativos y hemos aprendido más sobre estos sistemas, podemos ir más allá de lo que nadie ha podido hacer antes. Ahora somos capaces de producir nanopartículas con una complejidad antes inimaginable simplemente controlando la temperatura y la concentración, todo ello utilizando material de vidrio de laboratorio estándar y principios cubiertos en un curso de introducción a la química".
"El otro aspecto realmente emocionante de este trabajo es que es racional y escalable", dijo Schaak. "Porque entendemos cómo funciona todo, podemos identificar una nanopartícula altamente compleja, planear una manera de fabricarla, y luego ir al laboratorio y realmente fabricarla con bastante facilidad. Y, estas partículas se pueden fabricar en cantidades que son útiles. En principio, ahora podemos hacer lo que queramos y tanto como queramos. Todavía hay limitaciones, claro, no podemos esperar hasta que podamos hacer esto con más tipos de materiales, pero incluso con lo que tenemos ahora, cambia la forma en que pensamos sobre lo que es posible hacer".
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