Uma equipe de químicos da Penn State desenvolveu um kit de ferramentas para designers que permite construir vários níveis de complexidade em nanopartículas usando um simples, processo de combinação e combinação. "Pesquisadores em áreas tão diversas como a medicina, energia, e a eletrônica muitas vezes projeta partículas em nanoescala complexas que se prevê terem funções úteis, "disse Raymond E. Schaak, Professor DuPont de Química de Materiais na Penn State e o líder da equipe de pesquisa. "Mas fazê-los em laboratório costuma ser o gargalo. Nossa estratégia pode ajudar a agilizar esse processo." Um artigo descrevendo a estratégia da equipe e a grande biblioteca de partículas que eles agora podem fazer aparece em 4 de maio, 2018 no jornal Ciência .

Cientistas e engenheiros estão cada vez melhores no projeto de nanopartículas para dividir a água usando a luz solar, para diagnosticar e tratar o câncer, e para resolver outros problemas importantes. Muitas dessas partículas 'projetadas' precisam incluir vários tipos de semicondutores, catalisadores, ímãs, e outros materiais para funcionar, tudo isso ao mesmo tempo em que atendem a requisitos estritos envolvendo seu tamanho e forma.

"Sintetizar essas partículas complexas torna-se um desafio realmente difícil, porque cada uma dessas partículas requer um esforço tour-de-force para se preparar, e isso nem sempre é prático, "disse Schaak." Queríamos pensar de uma forma mais modular para tornar esse processo mais fácil. "

Os pesquisadores começam com o que chamam de partículas de primeira geração, que têm dimensões em escala nanométrica e são semelhantes em tamanho aos vírus. São simples, esferas de sulfeto de cobre fáceis de fazer, varas, e pratos que servem como trampolins para derivados mais complexos. Essas partículas de primeira geração definem o tamanho e a forma iniciais, e depois de substituir parte do cobre por outros elementos, como cádmio e zinco, eles são transformados em partículas de segunda geração que agora incluem dois materiais. O novo material é esculpido em uma porção do sulfeto de cobre original, formando vários tipos de linhas ou formas. Essas linhas representam as junções entre os dois materiais, definindo estruturas dentro das partículas e criando esferas de duas faces, esferas de sanduíche, hastes tampadas, varas listradas, placas irregulares, e placas de mármore.

"As junções trazem um elemento de design adicional para a mesa, "disse Schaak." Aqui, os materiais dentro das partículas são acoplados no nível atômico, e isso pode levar a funções adicionais porque os materiais agora podem "falar" uns com os outros. Podemos ajustar independentemente a forma externa e o tamanho das partículas, os materiais que estão dentro das partículas, e as maneiras pelas quais eles estão conectados. "

Todas as partículas de segunda geração ainda contêm algum sulfeto de cobre. Este sulfeto de cobre 'restante' também pode ser substituído, produção de partículas de terceira geração que retêm o tamanho e a forma de primeira geração e as junções de segunda geração, embora contenham materiais completamente diferentes das partículas originais de primeira geração. Partículas de alta geração são feitas por meio da mistura e combinação de várias técnicas e materiais. Em última análise, os pesquisadores geraram facilmente uma biblioteca de 47 nanopartículas distintas das três esferas simples de primeira geração, varas, e pratos.

Algumas das partículas que a equipe fez estão entre as mais complexas relatadas até o momento, incluindo partículas não simétricas, partículas com buracos e entalhes, e partículas intrincadamente esculpidas. "O mais empolgante é a facilidade com que isso funciona. Podemos sentar e fazer um desenho de uma partícula realmente complexa que era impensável meses atrás, e depois vá para o laboratório e faça isso imediatamente. Este é realmente um kit de ferramentas para designers, "disse Schaak.