In questi giorni, le nanoparticelle finemente distribuite in sospensioni sono utilizzate in molti settori, ad esempio nei prodotti cosmetici, nei catalizzatori industriali, o in mezzi di contrasto per esami medicinali. Per la prima volta, un gruppo di ricerca dell'Università di Bayreuth è riuscito a determinare con precisione le interrelazioni delle nanoparticelle magnetiche con il liquido che le circonda, anche a livello atomico. Come risulta, si tratta principalmente della struttura cristallina della nanoparticella rispetto al modo in cui le molecole d'acqua nelle loro immediate vicinanze si riallineano. Gli scienziati hanno presentato le loro scoperte sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Sulla base di studi teorici e sperimentali, la comunità di ricerca aveva a lungo supposto che le molecole di un liquido si raggruppassero attorno a una nanoparticella solida come un guscio. All'interno di questi cosiddetti gusci di solvatazione - nel caso delle soluzioni acquose sono anche chiamati gusci di idratazione - si possono distinguere da tre a cinque strati, corrispondente alla disposizione delle molecole liquide. Eppure fino ad ora, erano accessibili solo le informazioni sul numero e la dimensione di questi strati.

Di conseguenza, il team di scienziati che lavorano con la professoressa junior di Bayreuth Mirijam Zobel, ha esaminato più da vicino le strutture atomiche e molecolari di questi strati in una serie di esperimenti. A tal fine, misurazioni di raggi X ad alta energia sono state effettuate utilizzando la Diamond Lightsource, un sincrotrone elettronico in Gran Bretagna. Le indagini si sono concentrate sulle nanoparticelle magnetiche, ampiamente utilizzato in questi giorni in biomedicina, soprattutto nel rilascio mirato di farmaci, e nella risonanza magnetica. Così facendo, i ricercatori hanno scoperto che anche le distanze che separano gli atomi delle molecole d'acqua che circondano una nanoparticella possono essere misurate con precisione. In questo modo, è finalmente apparso evidente come le molecole d'acqua aderiscano alla nanoparticella:in alcuni casi mediante legami dissociativi, in altri casi tramite adsorbimento molecolare.

"Era sorprendente per noi che l'acqua in prossimità di minuscole nanoparticelle magnetiche di ossido di ferro si disponesse proprio come su superfici piane di ossido di ferro a livello macroscopico. Siamo stati in grado di dimostrare che il modo in cui le molecole liquide si dispongono in prossimità di un nanoparticella dipende principalmente dalla struttura cristallina della nanoparticella.Al contrario, le piccole molecole organiche che si trovano sulle superfici delle nanoparticelle non hanno un'influenza diretta sulla disposizione delle molecole liquide, " spiega il capo progetto Mirijam Zobel.

"Si tratta di spunti importanti per ulteriori ricerche e le sue applicazioni. Poiché queste molecole organiche, con cui si stabilizzano le nanoparticelle, fungono da punti di ancoraggio quando, nelle applicazioni biomediche, le nanoparticelle sono caricate, con anticorpi, Per esempio. Quindi per il rilascio di tali agenti medicinali, è di cruciale importanza comprendere in dettaglio l'influenza di queste molecole sulle caratteristiche e sul comportamento delle nanoparticelle, " La studentessa di dottorato di Bayreuth Sabrina Thomä M.Sc. spiega, autore principale dello studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura . La professoressa junior Mirijam Zobel continua:"Lo studio dei gusci di solvatazione attorno alle nanoparticelle si è nel frattempo affermato come argomento a sé stante in tutto il mondo. Siamo convinti che il metodo che abbiamo sviluppato, che abbiamo distribuito nel nuovo studio, può essere utilizzato più in generale. Infatti, in futuro saremo in grado di ottenere molte più interessanti intuizioni sulla scienza della solvatazione, per esempio nei settori dei catalizzatori e della nucleazione."

Per determinare le strutture delle molecole liquide nei gusci di solvatazione, il team di ricerca incentrato sul Prof. Dr. Mirijam Zobel ha utilizzato un metodo di ricerca basato sui raggi X denominato funzione di distribuzione delle coppie (PDF). Un diffrattometro a raggi X ad alte prestazioni, che è destinato a far progredire l'uso di questo metodo così importante per le nanoscienze, è stato recentemente installato nel Campus dell'Università di Bayreuth.