Gli ingegneri meccanici del Dipartimento di Energia del Politecnico di Torino e del Dipartimento di imaging traslazionale dello Houston Methodist Research Institute hanno modellato e fornito una nuova visione delle sorprendenti proprietà dell'acqua su scala nanometrica, anche se molte altre intriganti caratteristiche dell'acqua sono ancora lontane da essere pienamente svelate. Un'ampia gamma di applicazioni tecnologiche può trarre vantaggio da questi risultati, dall'ingegneria al campo biomedico, come recentemente mostrato in un articolo scientifico pubblicato su Comunicazioni sulla natura .

Nuotare in una piscina di miele. Questa è la sensazione che una molecola d'acqua dovrebbe "provare" mentre si avvicina a una superficie solida all'interno di un nanometro (cioè meno di un decimillesimo del diametro del capello). La riduzione della mobilità dell'acqua in prossimità di superfici alla nanoscala è il noto fenomeno del "nanoconfinamento", ed è dovuto alle forze attrattive sia elettrostatiche che di van der Waals che regolano le interazioni della materia a quella scala.

In tale contesto, scienziati del Politecnico di Torino e dello Houston Methodist Research Institute hanno fatto un ulteriore passo avanti, formulando un modello quantitativo e un'interpretazione fisica in grado di prevedere l'effetto del nanoconfinamento in un quadro piuttosto generale. In particolare, caratteristiche geometriche e chimiche, nonché condizioni fisiche di diverse superfici di nanoconfinamento (ad es. proteine, nanotubi di carbonio, nanopori di silice o nanoparticelle di ossido di ferro) sono stati quantitativamente correlati alla riduzione della mobilità e alle condizioni di "sovraraffreddamento" dell'acqua, ovvero la persistenza dell'acqua allo stato liquido a temperature molto inferiori a 0°C, quando vicino a una superficie solida.

Questo risultato è stato raggiunto dopo due anni di attività in silico (cioè computer-based) e in vitro (cioè sperimentate) di Eliodoro Chiavazzo, Matteo Fasano, Pietro Asinari (Laboratorio Modellistica Multiscala, Dipartimento di Energia del Politecnico di Torino) e Paolo Decuzzi (Centro per la Progettazione Razionale di Nanocostrutti Multifunzionali presso lo Houston Methodist Research Institute).

Questo studio potrebbe presto trovare applicazioni nell'ottimizzazione e nella progettazione razionale di un'ampia varietà di nuove tecnologie che vanno dalla fisica applicata (ad esempio "nanofluidi", sospensioni a base di acqua e nanoparticelle per migliorare il trasferimento di calore) all'energia sostenibile (ad es. accumulo termico basato su acqua nanoconfinata all'interno di materiali assorbenti); dalla rilevazione e rimozione di inquinanti dall'acqua (es. setacci molecolari) alla nanomedicina.

Quest'ultimo è il campo in cui la ricerca ha infatti trovato una prima importante applicazione. Ogni anno, vengono eseguiti quasi sessanta milioni di scansioni di risonanza magnetica (MRI), con finalità diagnostiche. Nell'ultimo decennio, La tecnologia MRI ha beneficiato di vari significativi progressi scientifici, che ha permesso immagini più precise e nitide dei tessuti patologici. Tra l'altro, gli agenti di contrasto (cioè sostanze utilizzate per migliorare il contrasto di strutture o fluidi all'interno del corpo) hanno contribuito in modo importante a migliorare le prestazioni della risonanza magnetica.

Questa attività di ricerca è stata in grado di spiegare e prevedere l'aumento delle prestazioni della risonanza magnetica dovuto ai mezzi di contrasto nanoconfinati, che sono attualmente in fase di sviluppo presso lo Houston Methodist Research Institute. Quindi, la scoperta apre la strada a un ulteriore aumento della qualità delle immagini MRI, al fine di migliorare possibilmente le possibilità di una diagnosi precoce e più accurata delle malattie in milioni di pazienti, ogni anno.

Ulteriori risultati e applicazioni dell'effetto di nanoconfinamento sulla nanomedicina saranno presto pubblicati, grazie ad una collaborazione multidisciplinare tra biomedico (Houston Methodist), ingegneristico (Politecnico di Torino) e chimico (Università del Riso, Houston-TX) gruppi di ricerca. In particolare, sono attualmente allo studio agenti di contrasto a base di ossido di ferro caricati in silicio o nanovettori polimerici, perché possono essere prima concentrati magneticamente nei tessuti umani malati e quindi utilizzati per migliorare le prestazioni della risonanza magnetica. Inoltre, tali nanocostrutti possiedono proprietà teranostiche, il che significa che possono essere utilizzati contemporaneamente per scopi diagnostici (ad es. risonanza magnetica) e terapeutici (ad es. rilascio di farmaci innescato dalla temperatura o trattamenti per l'ipertermia), che è un significativo passo avanti nella guerra al cancro.