L'ossido di zinco nanocristallino (ZnO) è attualmente uno dei nanomateriali di ossido di metallo semiconduttore più comunemente usati grazie alle sue caratteristiche catalitiche ed elettro-ottiche uniche. Le proprietà fisico-chimiche intrinseche e distintive delle nanostrutture ZnO dipendono da una varietà di fattori che sono determinati dalla procedura sintetica applicata e dal carattere dell'interfaccia nanocristallo-ligando risultante. Così, la preparazione di nanostrutture stabili di ZnO, soprattutto nanoparticelle con dimensioni inferiori a 10 nm, cioè punti quantici (QD), con le proprietà fisico-chimiche desiderate rimane ancora una grande sfida per i chimici.

Recentemente, scienziati dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze (IPC PAS) e dell'Università di tecnologia di Varsavia (WUT) in collaborazione con l'Istituto di ricerca interdisciplinare di Grenoble (IRIG) hanno utilizzato il magnetismo nucleare a stato solido potenziato dalla polarizzazione nucleare dinamica (DNP) spettroscopia di risonanza (NMR) per la caratterizzazione dettagliata delle interfacce organico-inorganico di ZnO QD preparati con il tradizionale processo sol-gel e la procedura organometallica autoportante one-pot (OSSOM) recentemente sviluppata. In parallelo, sono state condotte indagini sulla progettazione e preparazione di ZnO QD biostabili e sulla determinazione della loro relazione struttura-attività biologica. Questi studi sono stati pubblicati su riviste ad alto impatto Angewandte Chemie e Rapporti scientifici .

"Volevamo confermare inequivocabilmente che i QD di ZnO preparati nel nostro laboratorio utilizzando l'approccio OSSOM sono di qualità senza precedenti, " racconta il coautore di entrambi gli articoli, Dott.ssa Magorzata Wolska-Pietkiewicz. "Fino ad ora, ZnO QD sono stati comunemente prodotti mediante un processo sol-gel. Però, il principale svantaggio di questo metodo tradizionale è la bassa riproducibilità, che probabilmente inibisce sia l'uniformità della morfologia delle particelle che la composizione del guscio del ligando organico. Di conseguenza, le nanostrutture risultanti sono sostanzialmente instabili e tendono ad aggregarsi. Secondo me, questo ha significativamente limitato le potenziali applicazioni di ZnO nanocristallino in varie tecnologie, " aggiunge il dottor Wolska-Pietkiewicz.

"Un'alternativa all'onnipresente metodo sol-gel sono approcci organometallici umidi altamente promettenti. Sviluppati di recente nel nostro laboratorio, la procedura OSSOM si basa sull'esposizione controllata all'aria di un precursore organozinco ben definito. Il processo OSSOM è controllato termodinamicamente e avviene a temperatura ambiente, " afferma il professor Janusz Lewinski. Per evidenziare la superiorità dell'approccio organometallico per la preparazione di ZnO QD, sono state confrontate sia le proprietà procedurali che le strutture dei gusci di ligandi organici dei QD preparati sia con l'approccio OSSOM che con la procedura sol-gel. A questo scopo gli scienziati hanno applicato il metodo DNP-NMR che è in fase di sviluppo nel gruppo del Dr. Gaël De Paëpe (IRIG).

"Questa tecnica NMR ci consente di studiare le interfacce dei nanomateriali con precisione atomica e quindi di dimostrare la differenza tra i materiali testati, " continua il Dr. Daniel Lee e aggiunge che la capacità di determinare l'esatta natura e struttura dell'interfaccia offre una preziosa visione dei progetti futuri per nanomateriali funzionali nuovi e completamente stabili. Inoltre, Le misurazioni DNP-NMR sono relativamente veloci e richiedono solo poche ore. Questo non è davvero molto, soprattutto rispetto alla spettroscopia NMR convenzionale, che (nel caso di misurazioni con risoluzione comparabile) richiederebbe ... circa un anno.

"Il metodo OSSOM porta alla formazione di ZnO QD rivestiti con rivestimenti organici fortemente ancorati e altamente ordinati. Al contrario, sulla superficie di nanostrutture ZnO derivate da sol-gel, le molecole del ligando di rivestimento sono distribuite casualmente, " Dr. Wolska-Pietkiewicz points out. What is more, ligands could be easily removed from the surface of QDs derived from sol-gel process, changing the properties of the resulting nanomaterial. "In our method, the surface is super-protected, and QDs are stable. Di conseguenza, the OSSOM approach affords high-quality ZnO QDs with unique physicochemical properties, which are prospective for biological applications, " adds Dr. Wolska-Pietkiewicz.

Why is it so important?

"This preliminary study has only just scratched the surface (pun intended) of what can be achieved, " says Dr. Lee. "We have shown that being able to study nanomaterials' surface stability at an atomic scale enables the understanding of how to provide their stability, which is extremely important from the point of view of subsequent applications:from sensors and optical devices to targeted drug delivery and nanomedicines."

"In the near future, we could design, Per esempio, safe and effective drug nanocarriers for cancer therapies, in which we would be able to deposit appropriately selected, active molecules within our ordered organic layer. Positioning is important especially for targeted therapies, per esempio. terapia fotodinamica, because it allows the drug to be released evenly in a particular environment and at the right speed. Inoltre, owing to the achieved ligands ordering, we are able to pack a lot of active drug particles on a small carrier, " adds Professor Lewinski.