Mekaniska ingenjörer från både Department of Energy vid Politecnico di Torino och Translational Imaging Department vid Houston Methodist Research Institute har modellerat och gett en ny insikt om de överraskande vattenegenskaperna på nanoskala, även om många andra spännande vattenegenskaper fortfarande är långt kvar att avslöja. Ett brett utbud av tekniska tillämpningar kan dra nytta av dessa resultat, från teknik till biomedicinskt område, som nyligen visades i en vetenskaplig artikel publicerad på Naturkommunikation .

Simma i en honungspool. Det är känslan som en vattenmolekyl ska "känna" när den närmar sig en fast yta inom en nanometer (dvs mindre än en tiotusendels hårdiameter). Minskningen av vattenrörlighet i mycket nära anslutning till ytor på nanoskala är det välkända fenomenet "nanoinneslutning". och det beror på både elektrostatiska och van der Waals attraktionskrafter som styr materieinteraktioner i den skalan.

I detta sammanhang, forskare från Politecnico di Torino och Houston Methodist Research Institute har tagit ytterligare ett steg framåt, genom att formulera en kvantitativ modell och en fysisk tolkning som kan förutsäga nanoinneslutningseffekten i ett ganska generellt ramverk. Särskilt, geometriska och kemiska egenskaper såväl som fysikaliska förhållanden för olika nanobegränsande ytor (t.ex. proteiner, kolnanorör, kiseldioxidnanoporer eller nanopartiklar av järnoxid) har kvantitativt relaterats till rörlighetsminskning och "superkylnings"-förhållanden för vatten, nämligen persistensen av vatten i flytande tillstånd vid temperaturer långt under 0°C, när den är nära en fast yta.

Detta resultat har uppnåtts efter två år av in silico (dvs datorbaserad) och in vitro (dvs experimentdriven) aktiviteter av Eliodoro Chiavazzo, Matteo Fasano, Pietro Asinari (Multi-Scale Modeling Lab, Institutionen för energi vid Politecnico di Torino) och Paolo Decuzzi (Center for Rational Design of Multifunctional Nanoconstructs vid Houston Methodist Research Institute).

Denna studie kan snart hitta tillämpningar inom optimering och rationell design av ett brett utbud av nya teknologier, allt från tillämpad fysik (t.ex. "nanofluids", suspensioner av vatten och nanopartiklar för att förbättra värmeöverföringen) till hållbar energi (t.ex. termisk lagring baserad på nanokonfinerat vatten i sorbentmaterial); från upptäckt och avlägsnande av föroreningar från vatten (t.ex. molekylsilar) till nanomedicin.

Det senare är det område där forskningen verkligen har hittat en första viktig tillämpning. Varje år, nästan sextio miljoner magnetisk resonanstomografi (MRI) skanningar utförs, med diagnostiska syften. Under det senaste decenniet, MRT-teknik gynnades av olika betydande vetenskapliga framsteg, vilket möjliggjorde mer exakta och skarpare bilder av patologiska vävnader. Bland annat, kontrastmedel (d.v.s. substanser som används för att förbättra kontrasten mellan strukturer eller vätskor i kroppen) bidrog i hög grad till att förbättra MRT-prestanda.

Denna forskningsaktivitet har kunnat förklara och förutsäga ökningen av MRT-prestanda på grund av nanokontrastmedel, som för närvarande är under utveckling vid Houston Methodist Research Institute. Därav, upptäckten banar väg för ytterligare höjning av kvaliteten på MR -bilder, för att eventuellt förbättra chanserna för tidigare och mer exakt upptäckt av sjukdomar hos miljontals patienter, varje år.

Ytterligare resultat och tillämpningar av nanokonfineringseffekt på nanomedicin kommer att publiceras snart, tack vare ett tvärvetenskapligt samarbete mellan biomedicinska (Houston Methodist), teknik (Politecnico di Torino) och kemi (Rice University, Houston – TX) forskargrupper. Särskilt, järnoxidkontrastmedel laddade i kisel eller polymera nanovektorer undersöks för närvarande, eftersom de först kan magnetiskt koncentreras i mänskliga sjuka vävnader och sedan användas för att förbättra MRT-prestanda. Dessutom, en sådan nanokonstruerar egna teranostiska egenskaper, vilket innebär att de kan användas för diagnostiska (dvs. MRT) och terapeutiska (dvs. temperaturutlösta läkemedelsfrisättning eller behandlingar med hypertermi) samtidigt, vilket är ett viktigt steg framåt i kriget mot cancer.