Ett nytt kapitel har öppnats i vår förståelse av nanopartiklarnas kemiska aktivitet, säger ett team av internationella forskare. Med hjälp av röntgenstrålarna i European Synchrotron ESRF visade de att elektronerna som absorberas och frigörs av ceriumdioxid-nanopartiklar under kemiska reaktioner beter sig på ett helt annat sätt än man tidigare trott:elektronerna är inte bundna till enskilda atomer men, som ett moln, fördela sig över hela nanopartikeln. Inspirerad av likheten i dess form, forskarna kallar denna rumsliga fördelning av partiklar en "elektron svamp". Resultaten publicerades den 12 november i tidningen ACS Nano .

Forskargruppen leddes av Pieter Glatzel från The European Synchrotron (ESRF) i Grenoble (Frankrike) och Victor Puntes från Universitá Autònoma i Barcelona, Catalan Institute of Nanotechnologies (Spanien). Den första författaren är Jean-Daniel Cafun från ESRF.

I dag, ceriumdioxid nanopartiklar används ofta i industriella processer och även i konsumentprodukter. De är närvarande, till exempel, i väggarna i självrengörande ugnar och fungerar som en kolvätekatalysator under högtemperaturrengöringsprocessen. De är också en het kandidat för nästa generation litiumjonbatterier som kommer att uppvisa högre spänningar och större lagringskapacitet jämfört med dagens energiceller.

Elementet Cerium är rikligt i jordskorpan och kan enkelt brytas och renas. Dock, utan en grundlig förståelse för de kemiska processer som sker på ytan av ceriumdioxid -nanopartiklar, det är omöjligt att optimera deras nuvarande och framtida användning. Och för att ta upp en mer komplex fråga, Det är också omöjligt att bedöma gränserna för deras säkra användning.

De flesta kemiska reaktioner innebär överföring av en elektron från en atom till en annan. Förr, man trodde att elektronerna som var involverade i en kemisk reaktion på ytan av en nanopartikel var lokaliserade i en av atomerna vid ytan. För att bestämma elektronernas beteende under reaktionen, forskarna använde de intensiva röntgenstrålarna vid ESRF för att undersöka lösningar av nanopartiklar i vatten och etanol. Nanopartiklarna hade en diameter på 3 nm och bestod av flera tusen molekyler ceriumdioxid.

Det är känt att nanopartiklar kan ändra sitt beteende under vakuum när de studeras med ett elektronmikroskop, till exempel. Forskarna genomförde därför sitt experiment under realistiska förhållanden, studera nanopartiklarna i lösning och i realtid när den kemiska reaktionen ägde rum. "Det var bara möjligt att utföra dessa experiment i en vätska snarare än under vakuum eftersom vi använde röntgenstrålar som sonder för elektronfördelningen." säger Jean Daniel Cafun.

I deras experiment, forskarna lyckades med att observera skapandet av nanopartiklar i lösning och sedan hur dessa nanopartiklar eliminerade mycket reaktiva molekyler (reaktiva syrearter, eller ROS) från lösningen. Denna eliminationsprocess härmar rollen som ett viktigt enzym i levande organismer - katalas - som skyddar cellerna från dessa aggressiva molekyler. Cancerpatienter som genomgår strålbehandling har höga nivåer av ROS i kroppen och vissa nanopartiklar har föreslagits som ett sätt att minska nivåerna av ROS och därmed lindra de negativa effekterna av behandlingen på patienterna. Under hela den kemiska reaktionen, ceriumatomernas elektroniska struktur och därmed överföringen av elektronmolnet övervakades. "Det är avgörande att kunna studera partiklarnas kemiska processer i en miljö som är nära förhållanden som finns i biologiska system." framhåller Victor Puntes.

"Forskare har diskuterat frågan:Vad händer när elektroner läggs till ceria nanopartiklar? Arbetet av Cafun et al. Är en nyckelstudie eftersom det ifrågasätter nuet, allmänt accepterad modell och kommer att leda forskningen i en ny riktning. "säger Frank de Groot, en expert på nanomaterial vid Utrecht University som inte deltog i experimentet.

Nästa steg, som redan har inletts, kommer att vara att bedöma om icke-lokaliserade elektroner bara är en egenskap av ceriumdioxid eller även av andra mycket använda nanopartiklar som titandioxid. "Parallellt, chemists have to revisit their theoretical models to explain the chemical behaviour of nanoparticles and to better understand how electrons are transferred in chemical reactions taking place on their surface." concludes Pieter Glatzel.