Dessa dagar, nanopartiklar som är finfördelade i suspensioner används inom många områden – till exempel i kosmetiska produkter, i industriella katalysatorer, eller i kontrastmedel för medicinska undersökningar. För första gången, ett forskarlag från University of Bayreuth har lyckats exakt bestämma sambanden mellan magnetiska nanopartiklar och vätskan som omger dem, även ner till atomnivå. Som det visar sig, det är främst en fråga om nanopartikelns kristallina struktur om hur vattenmolekyler i deras omedelbara närhet återställer sig. Forskarna har presenterat sina resultat i tidskriften Naturkommunikation .

På grundval av teoretiska och experimentella studier, forskarvärlden hade länge antagit att molekylerna i en vätska grupperar sig runt en fast nanopartikel som ett skal. Inom dessa så kallade solvatiseringsskal – när det gäller vattenlösningar kallas de även för hydratiseringsskal – kan tre till fem lager urskiljas, motsvarande arrangemanget av vätskemolekylerna. Ändå fram till nu, endast information om antalet och storleken på dessa lager var tillgänglig.

Följaktligen, teamet av forskare som arbetar med Bayreuths juniorprofessor Mirijam Zobel, tog en närmare titt på dessa lagers atomära och molekylära strukturer i en serie experiment. För detta ändamål, högenergiröntgenmätningar utfördes med hjälp av Diamond Lightsource, en elektronsynkrotron i Storbritannien. Undersökningarna koncentrerade sig på magnetiska nanopartiklar, används i stor utsträckning idag inom biomedicin, speciellt vid riktad läkemedelsfrisättning, och vid magnetisk resonanstomografi. Genom att göra så, forskarna upptäckte att även avstånden mellan atomerna i vattenmolekylerna som omger en nanopartikel kan mätas exakt. På det här sättet, det blev äntligen uppenbart hur vattenmolekyler fäster vid nanopartikeln:i vissa fall med hjälp av dissociativa bindningar, i andra fall via molekylär adsorption.

"Det var förvånande för oss att vatten i närheten av små magnetiska järnoxidnanopartiklar ordnade sig precis som på jämna järnoxidytor på makroskopisk nivå. Vi kunde bevisa att det sätt på vilket vätskemolekyler ordnar sig i närheten av en nanopartiklar beror främst på den kristallina strukturen hos nanopartikeln. de små organiska molekylerna som finns på ytorna av nanopartiklar har inte en direkt inverkan på arrangemanget av vätskemolekylerna, " förklarar projektledaren Mirijam Zobel.

"Detta är viktiga insikter för vidare forskning och dess tillämpningar. Eftersom dessa organiska molekyler, med vilken nanopartiklarna stabiliseras, fungera som ankarpunkter när, i biomedicinska tillämpningar, nanopartiklarna är laddade, med antikroppar, till exempel. Därför för frisättning av sådana läkemedel, det är av avgörande betydelse att i detalj förstå dessa molekylers inverkan på nanopartiklarnas egenskaper och beteende, " Bayreuth Ph.D.-student Sabrina Thomä M.Sc. förklarar, huvudförfattare till studien publicerad i Naturkommunikation . Juniorprofessor Mirijam Zobel fortsätter:"Studien av solvatiseringsskal runt nanopartiklar har under tiden etablerat sig som ett eget ämne över hela världen. Vi är övertygade om att metoden vi har utvecklat, som vi använde i den nya studien, kan användas mer allmänt. Verkligen, i framtiden kommer vi att kunna uppnå många fler spännande insikter i lösningsvetenskap, till exempel inom områdena katalysatorer och kärnbildning."

För att bestämma strukturerna för vätskemolekylerna i solvatiseringsskal, forskargruppen centrerad kring Prof. Dr. Mirijam Zobel använde sig av en röntgenbaserad forskningsmetod som kallas Pair Distribution Function (PDF). En högpresterande röntgendiffraktometer, som är inställd på att främja användningen av denna metod som är så viktig för nanovetenskapen, installerades nyligen på campus vid University of Bayreuth.