Différentes époques de civilisation sont définies par la découverte de nouveaux matériaux, à mesure que les nouveaux matériaux entraînent de nouvelles capacités. Et encore, identifier le meilleur matériau pour une application donnée - catalyseurs, structures de récolte de lumière, étiquettes de biodiagnostic, produits pharmaceutiques et appareils électroniques—est traditionnellement une tâche lente et ardue. Les options sont presque infinies, en particulier à l'échelle nanométrique (un nanomètre est un milliardième de mètre) où les propriétés des matériaux - optiques, de construction, électrique, mécanique et chimique - peut changer considérablement, même à une composition fixe.

Une nouvelle étude publiée cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ) soutient l'efficacité d'un nouvel outil potentiellement révolutionnaire développé à la Northwestern University pour tester rapidement des millions (voire des milliards) de nanoparticules afin de déterminer la meilleure pour une utilisation spécifique.

« Lorsque vous utilisez des méthodes traditionnelles pour identifier de nouveaux matériaux, nous avons à peine effleuré la surface de ce qui est possible, " a déclaré Chad A. Mirkin de Northwestern, l'auteur correspondant de l'étude et un leader mondial de la recherche en nanotechnologie et de ses applications. "Cette recherche fournit une preuve de concept - que cette approche puissante de la science de la découverte fonctionne."

Le nouvel outil utilise une bibliothèque combinatoire, ou mégabibliothèque, de nanoparticules de manière très contrôlée. (Une bibliothèque combinatoire est une collection de structures systématiquement variées codées à des sites spécifiques sur une surface). Les bibliothèques sont créées à l'aide de la technique de lithographie au stylo polymère (PPL) de Mirkin, qui s'appuie sur des matrices (ensembles d'éléments de données) avec des centaines de milliers de pointes pyramidales pour déposer des "points" polymères individuels de différentes tailles et compositions, chacun chargé de différents sels métalliques d'intérêt, sur une surface. Une fois chauffé, ces points sont réduits en atomes métalliques formant une seule nanoparticule de composition et de taille fixes.

"En devenant petit, nous créons deux avantages dans la découverte de matériaux à haut débit, " dit Mirkin, le professeur de chimie George B. Rathmann au Weinberg College of Arts and Sciences; professeur de génie chimique et biologique, génie biomédical et science et génie des matériaux à la McCormick School of Engineering; et directeur exécutif de l'Institut international de nanotechnologie (IIN) de Northwestern. "D'abord, nous pouvons emballer des millions de fonctionnalités dans des zones d'un centimètre carré, créer un chemin pour créer les bibliothèques les plus grandes et les plus complexes, à ce jour. Seconde, en travaillant à l'échelle inférieure à 100 nanomètres, la taille peut devenir un paramètre de bibliothèque, et une grande partie de l'action, par exemple, dans le domaine de la catalyse, est sur cette échelle de longueur."

La nouvelle étude est un partenariat entre l'IIN de Northwestern et l'Air Force Research Laboratory dans le cadre du Centre d'excellence de l'US Air Force pour les nanomatériaux bioprogrammables avancés à Northwestern. L'équipe a utilisé une mégabibliothèque et une technique de criblage basée sur la spectroscopie Raman in situ appelée ARES pour identifier Au3Cu (une composition or-cuivre) en tant que nouveau catalyseur pour la synthèse de nanotubes de carbone à paroi unique. (ARES a été développé par Benji Maruyama, leader, Equipe de Recherche Matériaux et Procédés Flexibles, Direction des matériaux et de la fabrication, Laboratoire de recherche de l'armée de l'air, et Rahul Rao, chercheur, Laboratoire de recherche de l'Armée de l'Air et UES, Inc.)

Les nanotubes de carbone sont légers, des molécules flexibles et plus résistantes que l'acier utilisées pour le stockage d'énergie, l'administration de médicaments et les additifs améliorant les propriétés de nombreuses matières plastiques. Le processus de dépistage a pris moins d'une semaine et est des milliers de fois plus rapide que les méthodes de dépistage conventionnelles.

"Nous avons pu rapidement nous concentrer sur une composition optimale qui a produit le rendement de nanotubes le plus élevé beaucoup plus rapidement qu'en utilisant les méthodes conventionnelles, " dit Maruyama, un co-auteur de l'étude. "Les résultats suggèrent que nous pourrions avoir l'outil de découverte ultime, un changement potentiel dans la découverte de matériaux."