Une équipe de chimistes de Penn State a développé une boîte à outils de concepteur qui leur permet de créer différents niveaux de complexité dans des nanoparticules à l'aide d'un simple, processus de mix-and-match. « Des chercheurs dans des domaines aussi divers que la médecine, énergie, et l'électronique conçoivent souvent des particules nanométriques complexes qui sont censées avoir des fonctions utiles, " a déclaré Raymond E. Schaak, Professeur DuPont de chimie des matériaux à Penn State et chef de l'équipe de recherche. "Mais les fabriquer en laboratoire est souvent le goulot d'étranglement. Notre stratégie peut aider à rationaliser ce processus." Un article décrivant la stratégie de l'équipe et la grande bibliothèque de particules qu'ils peuvent désormais fabriquer paraît le 4 mai 2018 dans la revue Science .

Les scientifiques et les ingénieurs conçoivent de mieux en mieux des nanoparticules pour diviser l'eau en utilisant la lumière du soleil, diagnostiquer et traiter le cancer, et pour résoudre d'autres problèmes importants. Beaucoup de ces particules « conceptrices » doivent inclure divers types de semi-conducteurs, catalyseurs, aimants, et d'autres matériaux pour fonctionner, tout en répondant à des exigences strictes concernant leur taille et leur forme.

"Synthétiser ces particules complexes devient un défi vraiment difficile, car chacune de ces particules demande un tour de force pour se préparer, et ce n'est pas toujours pratique, " a déclaré Schaak. "Nous voulions penser de manière plus modulaire pour rendre ce processus plus facile."

Les chercheurs commencent avec ce qu'ils appellent des particules de première génération qui ont des dimensions à l'échelle nanométrique et sont de taille similaire aux virus. Ce sont des simples, sphères de sulfure de cuivre faciles à réaliser, tiges, et des plaques qui servent de tremplin à des dérivés plus complexes. Ces particules de première génération définissent la taille et la forme initiales, et après avoir remplacé une partie du cuivre par d'autres éléments tels que le cadmium et le zinc, ils sont transformés en particules de deuxième génération qui comprennent désormais deux matériaux. Le nouveau matériau est sculpté dans une partie du sulfure de cuivre d'origine, formant divers types de lignes ou de formes. Ces lignes représentent les jonctions entre les deux matériaux, définir des cadres au sein des particules et créer des sphères à deux faces, sphères sandwich, tiges coiffées, tiges rayées, plaques inégales, et plaques marbrées.

"Les jonctions apportent un élément de design supplémentaire à la table, " dit Schaak. " Tiens, les matériaux à l'intérieur des particules sont couplés entre eux au niveau atomique, et cela peut conduire à des fonctions supplémentaires car les matériaux peuvent désormais « parler » entre eux. Nous pouvons régler indépendamment la forme et la taille extérieures des particules, les matériaux qui sont à l'intérieur des particules, et les manières dont ils sont connectés."

Toutes les particules de deuxième génération contiennent encore du sulfure de cuivre. Ce sulfure de cuivre « reste » peut également être remplacé, produire des particules de troisième génération qui conservent la taille et la forme de la première génération et les jonctions de la deuxième génération tout en contenant des matériaux complètement différents de ceux des particules originales de la première génération. Les particules de génération supérieure sont fabriquées en mélangeant et en assortissant diverses techniques et matériaux. Finalement, les chercheurs ont facilement généré une bibliothèque de 47 nanoparticules distinctes à partir des trois sphères simples de première génération, tiges, et assiettes.

Certaines des particules que l'équipe a fabriquées sont parmi les plus complexes signalées à ce jour, y compris les particules non symétriques, particules avec des trous et des encoches, et des particules finement sculptées. "Ce qui est le plus excitant, c'est la facilité avec laquelle cela fonctionne. Nous pouvons nous asseoir et dessiner une image d'une particule vraiment complexe qui était impensable il y a des mois, puis allez dans le laboratoire et faites-le tout de suite. C'est vraiment une boîte à outils de concepteur, " dit Schaak.