È stato aperto un nuovo capitolo nella nostra comprensione dell'attività chimica delle nanoparticelle, afferma un team di scienziati internazionali. Utilizzando i fasci di raggi X dell'ESRF europeo di sincrotrone hanno dimostrato che gli elettroni assorbiti e rilasciati dalle nanoparticelle di biossido di cerio durante le reazioni chimiche si comportano in modo completamente diverso da quanto si pensava in precedenza:gli elettroni non sono legati ai singoli atomi ma, come una nuvola, distribuirsi su tutta la nanoparticella. Ispirato dalla somiglianza della sua forma, gli scienziati chiamano questa distribuzione spaziale delle particelle una "spugna elettronica". I risultati sono stati pubblicati il ​​12 novembre sulla rivista ACS Nano .

Il team di scienziati era guidato da Pieter Glatzel di The European Synchrotron (ESRF) di Grenoble (Francia) e Victor Puntes dell'Universitá Autònoma di Barcellona, Istituto Catalano di Nanotecnologie (Spagna). Il primo autore è Jean-Daniel Cafun dell'ESRF.

Oggi, le nanoparticelle di biossido di cerio sono ampiamente utilizzate nei processi industriali e anche nei prodotti di consumo. sono presenti, Per esempio, nelle pareti dei forni autopulenti e fungono da catalizzatore di idrocarburi durante il processo di pulizia ad alta temperatura. Sono anche un ottimo candidato per la prossima generazione di batterie agli ioni di litio che mostreranno tensioni più elevate e una maggiore capacità di accumulo rispetto alle odierne celle energetiche.

L'elemento Cerio è abbondante nella crosta terrestre e può essere facilmente estratto e purificato. Però, senza una conoscenza approfondita dei processi chimici che avvengono sulla superficie delle nanoparticelle di biossido di cerio, è impossibile ottimizzare il loro utilizzo attuale e futuro. E per affrontare una questione più complessa, è inoltre impossibile valutare i limiti del loro uso sicuro.

La maggior parte delle reazioni chimiche implica il trasferimento di un elettrone da un atomo all'altro. Nel passato, si riteneva che gli elettroni coinvolti in una reazione chimica sulla superficie di una nanoparticella fossero localizzati in uno degli atomi in superficie. Per determinare il comportamento degli elettroni durante la reazione, gli scienziati hanno utilizzato gli intensi fasci di raggi X presso l'ESRF per sondare soluzioni di nanoparticelle in acqua ed etanolo. Le nanoparticelle avevano un diametro di 3 nm e consistevano di diverse migliaia di molecole di biossido di cerio.

È noto che le nanoparticelle possono cambiare il loro comportamento sotto vuoto se studiate con un microscopio elettronico, Per esempio. Gli scienziati hanno quindi condotto il loro esperimento in condizioni realistiche, studiando le nanoparticelle in soluzione e in tempo reale mentre avveniva la reazione chimica. "È stato possibile condurre questi esperimenti solo in un liquido anziché sotto vuoto perché abbiamo usato i raggi X come sonde per la distribuzione degli elettroni". dice Jean Daniel Cafun.

Nel loro esperimento, gli scienziati sono riusciti ad osservare la creazione delle nanoparticelle in soluzione e quindi come queste nanoparticelle hanno eliminato molecole altamente reattive (specie reattive dell'ossigeno, o ROS) dalla soluzione. Questo processo di eliminazione imita il ruolo di un importante enzima negli organismi viventi - la catalasi - che protegge le cellule da queste molecole aggressive. I malati di cancro sottoposti a radioterapia hanno alti livelli di ROS nei loro corpi e le nanoparticelle di ceria sono state proposte come un modo per ridurre i livelli di ROS e quindi alleviare gli impatti negativi della terapia sui pazienti. Durante la reazione chimica, è stata monitorata la struttura elettronica degli atomi di cerio e quindi la ridistribuzione della nuvola elettronica. "È fondamentale poter studiare i processi chimici delle particelle in un ambiente vicino alle condizioni riscontrate nei sistemi biologici". sottolinea Victor Puntes.

"Gli scienziati hanno discusso la domanda:cosa succede quando gli elettroni vengono aggiunti alle nanoparticelle di ceria? Il lavoro di Cafun et al. è uno studio chiave perché mette in discussione il presente, modello ampiamente accettato e guiderà la ricerca in una nuova direzione", afferma Frank de Groot, un esperto di nanomateriali dell'Università di Utrecht che non ha preso parte all'esperimento.

Il prossimo passo, che è già stato avviato, sarà quello di valutare se gli elettroni non localizzati sono una proprietà del solo biossido di cerio o anche di altre nanoparticelle ampiamente utilizzate come il biossido di titanio. "In parallelo, chemists have to revisit their theoretical models to explain the chemical behaviour of nanoparticles and to better understand how electrons are transferred in chemical reactions taking place on their surface." concludes Pieter Glatzel.