En ny forskningsstudie vid Institute of Electronic Structure and Lasers (IESL) av Foundation for Research and Technology-Hellas (FORTH) finner att små kristaller, många tusen gånger mindre än en dammpartikel, när de är klädda av rätt sorts brister, anpassa sina elektroniska egenskaper för att gynnsamt omvandla energi till värme, en viktig egenskap för potentiell användning i smarta material för energi, hälsa, sensorer etc. Den relaterade artikeln, medförfattare av IESL:s forskare, har titeln "Vacancy-driven Non-cubic Local Structure and Magnetic Anisotropy Tailoring in Fe _x O-Fe _3-5 O ₄ Nanokristaller, " och publicerades nyligen i den främsta vetenskapliga tidskriften Fysisk granskning X .

Längs dessa linjer, och i synnerhet i kampen för att bekämpa cancer, forskare utvecklar aktivt sofistikerade strategier för att förstöra tumörer genom att höja deras temperatur. I ett sådant tillvägagångssätt, nanoskala kristaller (d.v.s. små partiklar hundra tusen gånger mindre än tjockleken på ett människohår, kallade "nanokristaller") som injiceras i cancervävnaden och värms upp av yttre stimuli (t.ex. ett magnetfält) erbjuder en ny, minimalt invasiv terapeutisk lösning som också kan bidra till att minska toxiciteten av anticancerbehandlingar.

Teamet på FORTH-IESL kom på det nya konceptet att de erforderliga fysiska egenskaperna kan uppstå från brytandet av symmetrier, t.ex. genom att införa vakanser (d.v.s. tomma atomområden), snarare än genom att ha kristaller med perfekt ordnade atomarrangemang.

Funktionaliteten i ett sådant system tillstånd återspeglas i förbättrad prestanda vid magnetiskt förmedlad uppvärmning (lokal temperaturökning bortom fysiologiska gränser, känd som "hypertermi") eftersträvas med kristallina partiklar i nanoskala. Idén följer Pierre Curies princip (1894), resonemang om mysterierna med symmetribrott som påverkar brett spektrum av fenomen inom samtida naturvetenskap (jfr från piezoelektricitet och kvantfältteori till proteinveckning).

För att framgångsrikt genomföra denna kritiska forskning, Dr Alexandros Lappas, en kemisk fysiker och forskningschef vid IESL, har koordinerat ett tvärvetenskapligt samarbete som har sammanfört teori och modellering från INN-Demokritos (Grekland), magnetiska karakteriseringar från CNR-SPIN &UNINA (Italien), vetenskaplig forskning med fotoner från CMPMSD-BNL (U.S.), och materialanalys i nanoskala från LCN (UK) i syfte att undersöka förhållandet mellan strukturella defekter på storleken och formen av järnoxidkolloidala nanokristaller, och för att bestämma hur dessa kopplas till magnetiska egenskaper som är relevanta för nanobioteknik.

Nyckeln till att avslöja de nuvarande fynden var användningen av ultraljus, högenergipartiklar av ljus (fotoner) som erbjuds vid en synkrotronanläggning (NSLS-II, BNL, U.S.A.). Att vara hundratals miljoner gånger ljusare än de konventionella medicinska röntgenbildkällorna, den extrema upplösningsförmågan hos sådana ljusstrålar, när det sprids från ett prov, hjälpte till att identifiera att metallatomer drog ut från kristallgittret under en redoxprocess, skapa lediga platser (d.v.s. ofullkomligheter) som är korrelerade till varandra via lokala förvrängningar.

"Den framväxande lokala symmetrin bryter på grund av defekter, ändrar nanokristallens magnetiska anisotropi i den gynnsamma riktningen. De lediga jobben fungerar som nålcenter som främjar konkurrensen mellan de elementära magneterna (snurrarna) som de är sammansatta av, i själva verket hindrar den sammanhängande vändningen och lätt avslappning av snurrarna. Detta möjliggör en anmärkningsvärd tiofaldig ökning av nanomaterialets termoresponsiva prestanda, jämfört med det som erhålls av defektfria enheter. Frigörandet av energi från spinnen kan likna det hos ett föremål som diffunderar genom ett trögflytande medium, där ju högre densitet vätskan har, ju mer effektivt bromsar den och dess kinetiska energi omvandlas till värme, " förklarar Alexandros Lappas, gruppledare vid Quantum Materials and Magnetism Lab of FORTH-IESL.

Undersökningen föreslår de bredare implikationerna av defektkontroll i atomskala som en designparameter som gynnar anisotropa egenskaper för optimerade nanomaterial, med samtidiga diagnostiska och terapeutiska funktioner, t.ex., magnetiska bildstyrda termoresponsiva cellulära processer, eftersökt inom terapiområdet.