"La natura che si svela davanti alla scienza, " è una scultura di Louis-Ernest Barrias in mostra al Musée d'Orsay di Parigi. Una collaborazione di ricerca dell'Università di Vienna e della Sorbona di Parigi ha ora preso a cuore questo credo. "Per creare materiali funzionali efficienti, la natura offre le migliori ricette fornendo concetti evolutivamente riusciti, " afferma Dennis Kurzbach dell'Istituto di chimica biologica. Kurzbach e i suoi colleghi hanno applicato una tecnologia sviluppata congiuntamente, basato sulla spettroscopia NMR, per svelare i segreti della biomineralizzazione.

Colmare le lacune di precisione

NMR (risonanza magnetica nucleare) è un metodo importante per determinare le strutture delle molecole in soluzione, anche se con risoluzione limitata. Al fine di facilitare il monitoraggio in tempo reale di processi chimici rapidi, Dennis Kurzbach e il suo team hanno sviluppato un nuovo prototipo che, basata sull'iperpolarizzazione (in particolare Dissolution Dynamic Nuclear Polarization, D-DNP), fornisce agli scienziati fino a 10, Segnali amplificati di 000 volte negli esperimenti NMR.

Con questo prototipo D-DNP, gli scienziati possono monitorare i processi che si svolgono su una scala temporale di millisecondi, mentre allo stesso tempo i singoli atomi possono essere risolti. Il prototipo comprende un sistema già brevettato per combinare vari partner di interazione in pochi millisecondi e per avviare il rilevamento in tempo reale.

Precipitazione di solidi ionici dalla soluzione

Dennis Kurzbach, un esperto nello sviluppo di metodi, ha iniziato il proof-of-concept con il suo collega parigino Thierry Azaïs, interessati a una migliore comprensione delle fasi iniziali della biomineralizzazione. Utilizzando il monitoraggio D-DNP, gli scienziati hanno sondato le cinetiche di interazione rapida come quelle alla base della formazione di specie di pre-nucleazione che si sviluppano in pochi millisecondi quando gli ioni calcio e fosfato si incontrano in soluzione e che precedono la separazione di fase solido-liquido non classica. "Per la prima volta, siamo stati in grado di caratterizzare analiticamente queste specie pre-nucleazione ad alta risoluzione, "Spiega Kurzbach, che ha stabilito la tecnologia all'avanguardia nella NMR Core Facility della Facoltà di Chimica nell'ambito della sua borsa di studio ERC.

Con le loro nuove intuizioni e tecnologia, i ricercatori stanno anche contribuendo con materiale a una disputa di lunga durata sulla teoria alla base della biomineralizzazione del fosfato di calcio. "Alcuni ricercatori dubitano che le specie pre-nucleate possano essere integrate nel quadro teorico classico sviluppato nel corso di decenni, " dice Dennis Kurzbach.

Lo studio del ricercatore fornisce anche un kick-off per un progetto recentemente finanziato dall'Austrian Science Fund FWF, in cui Kurzbach intende utilizzare la sua tecnologia per far progredire la caratterizzazione dei biominerali e dei processi chimici iniziali prima della nucleazione. Per esempio, mira a chiarire se la dimensione della specie appena scoperta è controllabile e, in caso affermativo, se è possibile progettare la futura durezza o fragilità del materiale macroscopico.

"Inoltre, sarà interessante vedere se possiamo aiutare a risolvere le attuali carenze teoriche, " Kurzbach dice, che si è laureato non solo in chimica, ma anche in filosofia. "Per me, i nostri obiettivi di ricerca sono anche fortemente riflessi dalle idee di Aristotele:tutti gli esseri umani si sforzano per natura dopo la conoscenza." La tecnologia D-DNP ora rende possibile approfondire la nostra conoscenza della natura dei materiali, che fornisce importanti proprietà alle persone e alla società.