Un nuovo studio di ricerca presso l'Istituto di struttura elettronica e laser (IESL) della Foundation for Research and Technology-Hellas (FORTH) rileva che i minuscoli cristalli, molte migliaia di volte più piccolo di una particella di polvere, quando sono vestiti dal giusto tipo di imperfezioni, regolare le loro proprietà elettroniche per convertire favorevolmente l'energia in calore, un attributo importante per un potenziale utilizzo in materiali intelligenti per l'energia, Salute, sensori ecc. L'articolo correlato, co-autore dei ricercatori di IESL, si intitola "Struttura locale non cubica guidata dalle vacanze e sartoria dell'anisotropia magnetica in Fe _X O-Fe _3-δ oh ₄ nanocristalli, " ed è stato recentemente pubblicato sulla principale rivista scientifica Revisione fisica X .

Lungo queste linee, e in particolare nella battaglia per combattere il cancro, i ricercatori stanno attivamente sviluppando strategie sofisticate per distruggere i tumori aumentando la loro temperatura. In uno di questi approcci, cristalli su scala nanometrica (cioè minuscole particelle centomila volte più piccole dello spessore di un capello umano, chiamati "nanocristalli") iniettati nel tessuto canceroso e riscaldati da stimoli esterni (ad esempio un campo magnetico) offrono un nuovo, soluzione terapeutica minimamente invasiva che può anche aiutare a ridurre la tossicità dei trattamenti antitumorali.

Il team di FORTH-IESL ha escogitato il nuovo concetto che le proprietà fisiche richieste possono derivare dalla rottura delle simmetrie, ad esempio introducendo posti vacanti (cioè siti atomici vuoti), piuttosto che avere cristalli con disposizioni atomiche perfettamente ordinate.

La funzionalità di tale stato di sistema si riflette in prestazioni migliorate quando il riscaldamento mediato magneticamente (aumento della temperatura locale oltre i limiti fisiologici, nota come "ipertermia") viene perseguita con particelle cristalline su scala nanometrica. L'idea segue il Principio di Pierre Curie (1894), ragionamento sui misteri della rottura della simmetria che influenza i fenomeni ad ampio raggio nelle scienze naturali contemporanee (cfr. dalla piezoelettricità e la teoria quantistica dei campi al ripiegamento delle proteine).

Per condurre con successo questa ricerca critica, Dott. Alexandros Lappas, un fisico chimico e direttore di ricerca presso IESL, ha coordinato una collaborazione interdisciplinare che ha riunito teoria e modellistica da INN-Demokritos (Grecia), caratterizzazioni magnetiche da CNR-SPIN &UNINA (Italia), ricerca scientifica con fotoni da CMPMSD-BNL (U.S.), e analisi dei materiali su scala nanometrica da LCN (Regno Unito) con lo scopo di esplorare la relazione dei difetti strutturali sulla dimensione e la forma dei nanocristalli colloidali di ossido di ferro, e per determinare come questi si accoppiano alle proprietà magnetiche rilevanti per la nanobiotecnologia.

La chiave per scoprire i risultati attuali è stato l'uso di ultra-luminosi, particelle di luce ad alta energia (fotoni) offerte in un impianto di sincrotrone (NSLS-II, BNL, NOI.). Essendo centinaia di milioni di volte più luminose delle sorgenti di imaging a raggi X mediche convenzionali, l'estremo potere risolutivo di tali fasci di luce, quando disperso da un campione, aiutato a identificare che gli atomi di metallo estratti dal reticolo cristallino durante un processo di ossidoriduzione, creare siti vuoti (cioè imperfezioni) che sono correlati tra loro tramite distorsioni locali.

"La rottura della simmetria locale emergente dovuta a difetti, cambia l'anisotropia magnetica del nanocristallo nella direzione favorevole. I posti vacanti fungono da centri di aggancio che favoriscono la competizione tra i magneti elementari (spin) di cui sono composti, in effetti impedendo l'inversione coerente e il facile rilassamento delle rotazioni. Ciò consente un notevole aumento di dieci volte delle prestazioni termoreattive del nanomateriale, rispetto a quello ottenuto da enti privi di vizi. Il rilascio di energia dagli spin può assomigliare a quello di un oggetto che si diffonde attraverso un mezzo viscoso, dove maggiore è la densità del fluido, più efficientemente decelera e la sua energia cinetica viene convertita in calore, " spiega Alexandros Lappas, capogruppo presso il Quantum Materials and Magnetism Lab di FORTH-IESL.

L'indagine suggerisce le più ampie implicazioni del controllo dei difetti su scala atomica come parametro di progettazione che favorisce le proprietà anisotrope per i nanomateriali ottimizzati, con funzionalità diagnostiche e terapeutiche simultanee, per esempio., processi cellulari termoreattivi guidati da immagini magnetiche, ricercato nel campo della teranostica.