Simple and efficient methods of organizing materials are key to the realization of a nanotech world. These authors report on recent developments in simple evaporation-induced self-assembly processes, which enable the rapid production of patterned porous or nanocomposite materials. The Figure shows a calcined particle exhibiting vesicular mesophase, which was generated by aerosol self-assembly of the tri-block copolymer P123.

Thin films of surfactant-templated mesoporous materials1,2 could find applications in membrane-based separations, selective catalysis and sensors. Above the critical micelle concentration of a bulk silica–surfactant solution, films of mesophases with hexagonally packed one-dimensional channels can be formed at solid–liquid and liquid–vapour interfaces3,4,5. But this process is slow and the supported films3,5 are granular and with the pore channels oriented parallel to the substrate surface, so that transport across the films is not facilitated by the pores. Ogawa6,7 has reported a rapid spin-coating procedure for making transparent mesoporous films, but their formation mechanism, microstructure and pore accessibility have not been elucidated. Here we report a sol–gel-based dip-coating method for the rapid synthesis of continuous mesoporous thin films on a solid substrate. The influence of the substrate generates film mesostructures that have no bulk counterparts, such as composites with incipient liquid-crystalline order of the surfactant–silica phase. We are also able to form mesoporous films of the cubic phase, in which the pores are connected in a three-dimensional network that guarantees their accessibility from the film surface. We demonstrate and quantify this accessibility using a surface-acoustic-wave nitrogen-adsorption technique. We use fluorescence depolarization to monitor the evolution of the mesophase in situ, and see a progression through a sequence of lamellar to cubic to hexagonal structures that has not previously been reported.

The hydrolysis and condensation reactions of monomeric alkoxysilanes and organylalkoxysilanes utilized in sol-gel processing are reviewed. Both reactions occur by acid or base-catalyzed bimolecular displacement reactions. The acid-catalyzed mechanisms are preceded by protonation of OH or OR substituents attached to Si, whereas under basic conditions hydroxyl or silanolate anions attack Si directly. Many of the observed structural trends are understood on the basis of the pH and [H2O] dependence of the hydrolysis, condensation, and dissolution reactions.

Encapsulation of drugs within nanocarriers that selectively target malignant cells promises to mitigate side effects of conventional chemotherapy and to enable delivery of the unique drug combinations needed for personalized medicine. To realize this potential, however, targeted nanocarriers must simultaneously overcome multiple challenges, including specificity, stability and a high capacity for disparate cargos. Here we report porous nanoparticle-supported lipid bilayers (protocells) that synergistically combine properties of liposomes and nanoporous particles. Protocells modified with a targeting peptide that binds to human hepatocellular carcinoma exhibit a 10,000-fold greater affinity for human hepatocellular carcinoma than for hepatocytes, endothelial cells or immune cells. Furthermore, protocells can be loaded with combinations of therapeutic (drugs, small interfering RNA and toxins) and diagnostic (quantum dots) agents and modified to promote endosomal escape and nuclear accumulation of selected cargos. The enormous capacity of the high-surface-area nanoporous core combined with the enhanced targeting efficacy enabled by the fluid supported lipid bilayer enable a single protocell loaded with a drug cocktail to kill a drug-resistant human hepatocellular carcinoma cell, representing a 106-fold improvement over comparable liposomes. A nanocarrier—synthesized by the fusion of liposomes to spherical, nanoporous silica particles and subsequent modification of the lipid bilayer with targeting peptides and fusogenic peptides—shows the targeted delivery and controlled release of chemically diverse multicomponent cargos within the cytosol of certain cancer cells.

Particles possessing nanometre-scale pores of well-defined size and connectivity are of interest for catalysis, chromatography and controlled release of drugs, and as fillers with low dielectric constant, pigments and hosts for optically active compounds1,2. Silica containing ordered mesopores (of nanometre-scale width) can be prepared by templating of surfactant3,4 and block copolymer5 liquid-crystalline mesophases, and interfacial phenomena have been used to control the macroscopic form of these materials, providing mesoporous particles1,6, fibres7,8 and films9,10. A variety of spherical or nearly spherical particles has been reported1,6,7,11,12,13, but the degree of ordering and the range of the porous mesostructures have been limited. Here we report a rapid, aerosol-based14,15,16 process for synthesizing solid, well-ordered spherical particles with stable pore mesostructures of hexagonal and cubic topology, as well as layered (vesicular) structures. Our method relies on evaporation-induced interfacial self-assembly17 confined to spherical aerosol droplets. This simple, generalizable process can be modified for the formation of ordered mesostructured thin films.

The study of ordered mesoporous silica materials has exploded since their discovery by Mobil researchers 20 years ago. The ability to make uniformly sized, porous, and dispersible nanoparticles using colloidal chemistry and evaporation-induced self-assembly has led to many applications of mesoporous silica nanoparticles (MSNPs) as "nanocarriers" for delivery of drugs and other cargos to cells. The exceptionally high surface area of MSNPs, often exceeding 1000 m2/g, and the ability to independently modify pore size and surface chemistry, enables the loading of diverse cargos and cargo combinations at levels exceeding those of other common drug delivery carriers such as liposomes or polymer conjugates. This is because noncovalent electrostatic, hydrogen-bonding, and van der Waals interactions of the cargo with the MSNP internal surface cause preferential adsorption of cargo to the MSNP, allowing loading capacities to surpass the solubility limit of a solution or that achievable by osmotic gradient loading. The ability to independently modify the MSNP surface and interior makes possible engineered biofunctionality and biocompatibility.In this Account, we detail our recent efforts to develop MSNPs as biocompatible nanocarriers (Figure 1) that simultaneously display multiple functions including (1) high visibility/contrast in multiple imaging modalities, (2) dispersibility, (3) binding specificity to a particular target tissue or cell type, (4) ability to load and deliver large concentrations of diverse cargos, and (5) triggered or controlled release of cargo. Toward function 1, we chemically conjugated fluorescent dyes or incorporated magnetic nanoparticles to enable in vivo optical or magnetic resonance imaging. For function 2, we have made MSNPs with polymer coatings, charged groups, or supported lipid bilayers, which decrease aggregation and improve stability in saline solutions. For functions 3 and 4, we have enhanced passive bioaccumulation via the enhanced permeability and retention effect by modifying the MSNP surfaces with positively charged polymers. We have also chemically attached ligands to MSNPs that selectively bind to receptors overexpressed in cancer cells. We have used encapsulation of MSNPs within reconfigurable supported lipid bilayers to develop new classes of responsive nanocarriers that actively interact with the target cell. Toward function 4, we exploit the high surface area and tailorable surface chemistry of MSNPs to retain hydrophobic drugs. Finally, for function 5, we have engineered dynamic behaviors by incorporating molecular machines within or at the entrances of MSNP pores and by using ligands, polymers, or lipid bilayers. These provide a means to seal-in and retain cargo and to direct MSNP interactions with and internalization by target cells.Application of MSNPs as nanocarriers requires biocompatibility and low toxicity. Here the intrinsic porosity of the MSNP surface reduces the extent of hydrogen bonding or electrostatic interactions with cell membranes as does surface coating with polymers or lipid bilayers. Furthermore, the high surface area and low extent of condensation of the MSNP siloxane framework promote a high rate of dissolution into soluble silicic acid species, which are found to be nontoxic. Potential toxicity is further mitigated by the high drug capacity of MSNPs, which greatly reduces needed dosages compared with other nanocarriers. We anticipate that future generations of MSNPs incorporating molecular machines and encapsulated by membrane-like lipid bilayers will achieve a new level of controlled cellular interactions.

This review discusses two classes of organic template-derived amorphous silicas distinguished by the nature of template-matrix interactions and the extent to which subsequent processing dictates the final pore morphology. First we discuss surfactant-templated silicas where the template-matrix interaction is via non-covalent bonding mechanisms and the pore structure is established in the solution stage. We then discuss silicas templated by organic ligands covalently bonded to the siloxane network where subsequent processing strongly influences the final pore structure.

Two-dimensional bio-dynamite: Chemically exfoliated MoS2 (ceMoS2), a water-dispersible sheet-like material, is an efficient near-infrared (NIR) photothermal transducer. The superior bio-supramolecular properties of ceMoS2 and the ability of this material to destroy biomolecular targets through near-infrared (NIR) photothermal transduction were studied (see picture).

Silica gels were presented from alcoholic solutions of tetraethylorthosilicate (TEOS) using a two-step hydrolysis process; small angle X-ray scattering (SAXS), gas-liquid chromatography, and 1H NMR spectroscopy were employed to study their formation. The first step (1 mol. H2O/mol. TEOS with HCl catalyst) resulted in a rather wide species distribution comprised of hydrolyzed and unhydrolyzed monomers, dimers, and chains. The second step (additional water plus acid or base) resulted in completely hydrolyzed polymers in the acid system which apparently were highly overlapped prior to gelation. In the base system, hydrolysis was incomplete due to unhydrolyzed monomer and the resulting polymers were more highly condensed (or collapsed) and discrete compared to the acid system. The formation of colloidal silica was not obseerved in either case.