È il risultato di un nuovo approccio non standard
Un nuovo approccio sperimentale è stato impiegato per creare centinaia di nuovissime nanoparticelle, materiali intricati con proprietà mai viste prima.
Più piccole di 100 nanometri, o circa le dimensioni di un virus, le nanoparticelle sono materiali complessi con un’ampia gamma di usi potenziali, tra cui medicina, energia ed elettronica.
Per creare i materiali, i chimici di solito identificano le circostanze ideali per un particolare prodotto. Un gruppo di ricerca della Penn State ha però saltato questa strategia impiegando deliberatamente condizioni non ottimizzate per creare numerosi nuovi materiali.
Secondo questo articolo, i ricercatori iniziano con nanoparticelle a forma di bastoncino di solfuro di rame (in alto a sinistra). Poi utilizzano una procedura nota come “scambio di cationi” per scambiare parte o tutto il rame delle particelle con altri metalli. I ricercatori hanno creato e analizzato centinaia di nanoparticelle che combinano numerosi componenti distinti in diverse combinazioni in prove volutamente non ottimizzate (in alto), molte delle quali non avrebbero potuto essere prodotte intenzionalmente utilizzando gli attuali standard di progettazione. Hanno poi prodotto razionalmente una delle nanoparticelle ad alta resa utilizzando nuovi parametri derivati dalla serie iniziale di esperimenti (in basso).
Con questa tecnica sono riusciti a trovare nanoparticelle uniche, che incorporano una varietà di elementi in diverse disposizioni. In seguito hanno condotto ulteriori ricerche su queste nanoparticelle per produrre nuove linee guida che hanno permesso di creare campioni ad alta resa delle varietà di nanoparticelle più interessanti.
È possibile prevedere e costruire nanoparticelle che potrebbero essere utilizzate per scindere l’acqua utilizzando la luce del sole, identificare e trattare il cancro e affrontare altre questioni importanti. Per funzionare, queste particelle potrebbero dover contenere diversi tipi di semiconduttori, catalizzatori, magneti e altri componenti, il tutto rispettando rigide specifiche di dimensione e forma.
“Ci sono un certo numero di regole che noi e altri abbiamo sviluppato in questo campo e che ci permettono di produrre molti tipi diversi di nanoparticelle”, ha detto Raymond Schaak, professore di chimica dei materiali alla Penn State e leader del team di ricerca.
“Siamo anche in grado di prevedere, soprattutto con l’aiuto dei computer, decine di migliaia di nanoparticelle diverse che potrebbero essere davvero interessanti da studiare, ma non abbiamo idea di come realizzare la maggior parte di esse. Abbiamo bisogno di nuove regole che ci permettano di realizzare nanoparticelle con nuove proprietà, nuove funzioni o nuove applicazioni, e che ci permettano di adeguarci meglio alla velocità con cui possono essere previste”.
I ricercatori hanno condotto esperimenti in condizioni non ottimizzate e precedentemente inesplorate per vedere se potevano produrre nuovi tipi di particelle che non erano state scoperte in precedenza, perché l’attuale serie di regole o linee guida di progettazione, a disposizione dei ricercatori, limita la varietà di nanoparticelle che possono produrre.
“Quello che facciamo può essere descritto come una ‘scoperta senza obiettivo'”, ha detto Connor R. McCormick, primo autore del lavoro e studente di chimica alla Penn State.
“Se si ha in mente un obiettivo, si cerca di modulare la chimica per ottenere quell’obiettivo, ma bisogna sapere quali fattori modulare, conoscere le regole, in anticipo. L’aspetto più interessante del nostro approccio è che lasciamo che sia la chimica a guidarci e a mostrarci cosa è possibile fare. Possiamo poi caratterizzare i prodotti e scoprire cosa possiamo controllare per produrli intenzionalmente”.
Le proprietà delle particelle sono regolate dalla disposizione dei metalli al loro interno e alle loro interfacce. In genere, questa procedura viene eseguita con un metallo alla volta in circostanze sperimentali specificamente regolate per regolare la reazione di scambio cationico. In questo esperimento, quattro diversi cationi metallici sono stati forniti simultaneamente in circostanze non ottimizzate per ogni scambio cationico metallico. Successivamente, i ricercatori hanno utilizzato la diffrazione dei raggi X e la microscopia elettronica per caratterizzare le particelle risultanti.
“A differenza della maggior parte degli esperimenti, che sono impostati per convergere su un unico prodotto, il nostro obiettivo era quello di impostare l’esperimento in modo da massimizzare la diversità delle nanoparticelle che abbiamo prodotto”, ha spiegato McCormick. “Delle 201 particelle analizzate in un esperimento, 102 erano uniche e molte di esse non avrebbero potuto essere prodotte intenzionalmente utilizzando le linee guida di progettazione esistenti”.
I ricercatori hanno poi condotto esperimenti con variabili leggermente modificate, alterando la temperatura della reazione o la quantità e la varietà di cationi metallici. In questo modo sono riusciti a creare nanoparticelle ancora più sofisticate e a dedurre nuove regole per le nuove forme di nanoparticelle.
Infine, il team ha scelto uno dei nuovi materiali e lo ha prodotto con successo in quantità maggiori utilizzando i nuovi principi di progettazione.
“Alla fine, questo approccio potrebbe essere utilizzato per selezionare nuove particelle con proprietà specifiche, ma al momento ci stiamo concentrando sull’apprendimento di quanto più possibile su quanto è possibile produrre”, ha affermato Schaak. “Abbiamo dimostrato che questo approccio esplorativo può effettivamente aiutarci a identificare queste ‘nuove regole’ e a utilizzarle per produrre razionalmente nuove nanoparticelle complesse ad alta resa”.
Le nanoparticelle possono contribuire a una varietà di usi, come: la somministrazione di farmaci e la terapia mirata; la diagnostica medica; il trattamento e la purificazione dell’acqua, la produzione e l’immagazzinamento di energia (ad esempio, batterie, celle solari); i cosmetici e i prodotti per la cura della persona; la catalisi e le reazioni chimiche; i sensori e i dispositivi elettronici; l’imballaggio e la conservazione degli alimenti e il risanamento ambientale.
Tuttavia, esistono anche rischi potenziali, come: la tossicità e i potenziali danni alla salute umana e all’ambiente; la limitata biodegradabilità e il potenziale accumulo negli ecosistemi e la difficoltà di controllare le dimensioni e la distribuzione delle nanoparticelle.
