Il vetro fosfato è un composto versatile che ha suscitato interesse per il suo utilizzo nelle celle a combustibile e come biomateriali per la fornitura di ioni terapeutici. P ₂ oh ₅ —il composto che forma la rete strutturale del vetro fosfato—è costituito da fosforo, un elemento che può adottare molte diverse configurazioni di legame in combinazione con l'ossigeno.

Le proprietà fisico-chimiche cruciali per l'applicabilità nella vita reale del vetro fosfato, ad esempio, la reazione di idratazione che determina la velocità con cui un biomateriale a base di vetro fosfato si dissolverà all'interno del corpo, dipende dalla diffusione degli ioni nel vetro. Così, per migliorare le proprietà fisico-chimiche dei vetri fosfatici, è importante comprendere la relazione tra la struttura e la diffusione ionica. Però, studiare tali interazioni a livello atomico è estremamente difficile, spingendo gli scienziati a cercare un approccio adatto per illuminare i dettagli del processo di diffusione ionica.

Recentemente, un team di ricercatori del Nagoya Institute of Technology, Giappone, guidato dal dottor Tomoyuki Tamura, ha teoricamente decifrato il meccanismo di diffusione ionica coinvolto nel processo di reazione di idratazione dei vetri fosfatici. Il loro studio è stato pubblicato su Chimica Fisica Fisica Chimica rivista.

In P . completamente connesso ₂ oh ₅ a base di fosfato di vetro, tre degli atomi di ossigeno in ciascuna unità di fosfato sono legati agli atomi di fosforo vicini. Per studiare la dinamica degli ioni nel vetro fosfato durante il processo di idratazione, i ricercatori hanno utilizzato un modello fatto di fosfati con QP ² e QP ³ morfologie, che contengono due e tre ossigeni ponte per PO ₄ tetraedro, rispettivamente, insieme a sei strutture di silicio coordinate.

I ricercatori hanno implementato un approccio computazionale teorico noto come "simulazione della dinamica molecolare (MD) dei primi principi" per studiare la diffusione di protoni e ioni sodio nel vetro. Spiegando la logica del loro approccio non convenzionale, Il dottor Tamura dice, "La simulazione MD dei primi principi ci ha permesso di assumere la fase iniziale di infiltrazione e diffusione dell'acqua nel vetro silicofosfato e di chiarire per la prima volta la diffusione di protoni e ioni inorganici".

Sulla base della loro osservazione, i ricercatori hanno proposto un meccanismo in cui i protoni "saltano" e vengono adsorbiti sull'ossigeno non a ponte o sull'atomo di ossigeno "pendente" dei fosfati vicini attraverso legami idrogeno. Però, nel modello di vetro fosfato che usavano, il QP ² le unità fosfato hanno contribuito più fortemente alla diffusione dei protoni rispetto al QP ³ unità di fosfato. Così, hanno scoperto che la morfologia della struttura della rete di fosfati, o lo "scheletro" del bicchiere, influenza notevolmente la diffusione degli ioni. Hanno anche notato che quando nelle vicinanze era presente uno ione sodio, l'adsorbimento di un protone su un QP ² l'unità fosfato ha indebolito l'interazione elettrostatica tra ioni sodio e ossigeno, inducendo la diffusione a catena degli ioni sodio.

La domanda di nuovi biomateriali per una prevenzione e un trattamento efficaci è in aumento, e i vetri fosfatici sono ben preparati per soddisfare questa crescente esigenza. Gran parte della popolazione, composto sia da anziani che da giovani, soffre di malattie legate a debolezze ossee e muscolari. Come ipotizza il dottor Tamura, "Il vetro silicofosfato idrosolubile è un candidato promettente per la fornitura di farmaci o ioni inorganici che promuovono la rigenerazione dei tessuti, e il nostro studio porta la ricerca nella tecnologia del vetro un passo avanti verso la realizzazione dell'obiettivo."

Così, le nuove intuizioni dei ricercatori sono destinate ad avere un profondo impatto nella vita reale e a portare a scoperte rivoluzionarie nella ricerca sulle celle a combustibile e sui materiali bioriassorbibili.