Dispositivi elettronici personali:smartphone, computer, televisori, compresse, schermi di ogni tipo:sono una fonte significativa e in crescita dei rifiuti elettronici nel mondo. Molti di questi prodotti utilizzano nanomateriali, ma si sa poco su come questi materiali moderni e le loro minuscole particelle interagiscono con l'ambiente e gli esseri viventi.

Ora un gruppo di ricerca di chimici e colleghi della Northwestern University del Centro nazionale per le nanotecnologie sostenibili ha scoperto che quando alcune nanoparticelle rivestite interagiscono con organismi viventi si ottengono nuove proprietà che le rendono appiccicose. Sulle particelle si formano corone lipidiche frammentate, facendoli aderire e crescere in lunghi fili simili a alghe. Le nanoparticelle con diametri di 5 nanometri formano strutture lunghe che sono micron in soluzione. L'impatto sulle cellule non è noto.

"Perché non creare una particella che sia benigna fin dall'inizio?" disse Franz M. Geiger, professore di chimica al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. Ha guidato la parte nordoccidentale della ricerca.

"Questo studio fornisce informazioni sui meccanismi molecolari con cui le nanoparticelle interagiscono con i sistemi biologici, " Geiger ha detto. "Questo può aiutarci a capire e prevedere perché alcune combinazioni di rivestimento nanomateriale/ligando sono dannose per gli organismi cellulari mentre altre non lo sono. Possiamo usarlo per progettare nanoparticelle che sono benigne per progettazione".

Utilizzando esperimenti e simulazioni al computer, il team di ricerca ha studiato nanoparticelle d'oro avvolte da policatione e le loro interazioni con una varietà di modelli di membrane a doppio strato, compresi i batteri. I ricercatori hanno scoperto che uno strato quasi circolare di lipidi si forma spontaneamente attorno alle particelle. Queste "corone lipidiche frammentate" non sono mai state viste prima.

Lo studio punta alla risoluzione di problemi con la chimica. Gli scienziati possono utilizzare i risultati per progettare un migliore rivestimento del ligando per le nanoparticelle che eviti l'interazione ammonio-fosfato, che determina l'aggregazione. (I ligandi sono utilizzati nei nanomateriali per la stratificazione.)

I risultati saranno pubblicati il ​​18 ottobre sulla rivista chimica .

Geiger è l'autore corrispondente dello studio. Altri autori includono scienziati di altri partner istituzionali del Center for Sustainable Nanotechnology. Con sede presso l'Università del Wisconsin-Madison, il centro studia i nanomateriali ingegnerizzati e la loro interazione con l'ambiente, compresi i sistemi biologici, sia gli aspetti negativi che quelli positivi.

"Le nanoparticelle raccolgono parti della membrana cellulare lipidica come una palla di neve che rotola in un campo di neve, e diventano appiccicosi, " ha detto Geiger. "Questo effetto indesiderato si verifica a causa della presenza della nanoparticella. Può portare i lipidi in luoghi nelle cellule dove i lipidi non dovrebbero essere".

Gli esperimenti sono stati condotti in ambienti di laboratorio idealizzati che tuttavia sono rilevanti per gli ambienti trovati durante la tarda estate in una discarica, a 21-22 gradi Celsius e un paio di piedi sotto terra, dove suolo e acque sotterranee si mescolano e inizia la catena alimentare.

Abbinando esperimenti spettroscopici e di imaging con simulazioni atomistiche e a grana grossa, i ricercatori hanno identificato che l'accoppiamento ionico tra i gruppi di testa lipidica delle membrane biologiche ei gruppi di ammonio dei policationi nell'involucro delle nanoparticelle porta alla formazione di corone lipidiche frammentate. Queste corone generano nuove proprietà, compresa la composizione e la viscosità, alle particelle con diametri inferiori a 10 nanometri.

Le intuizioni dello studio aiutano a prevedere l'impatto che l'uso sempre più diffuso di nanomateriali ingegnerizzati ha sul destino delle nanoparticelle una volta che entrano nella catena alimentare, cosa che molti di loro potrebbero eventualmente fare.

"Emergono nuove tecnologie e prodotti di consumo di massa che presentano i nanomateriali come componenti operativi critici, " ha detto Geiger. "Possiamo capovolgere il paradigma esistente nella produzione di nanomateriali verso uno in cui le aziende progettano i nanomateriali per essere sostenibili fin dall'inizio, invece di rischiare costosi richiami di prodotti, o peggio, lungo la strada."