Parfois, plus gros n'est pas mieux. Des chercheurs du laboratoire national de Savannah River du département américain de l'Énergie ont montré avec succès qu'ils peuvent remplacer les petites particules utiles de titanate monosodique (MST) par des particules encore plus petites de la taille des nanoparticules, ce qui les rend encore plus utiles pour une variété d'applications.
Le MST est un matériau échangeur d'ions utilisé pour décontaminer les solutions d'eaux usées radioactives et industrielles, et s'est avéré être un moyen efficace d'introduire des métaux dans des cellules vivantes pour certains types de traitement médical. Typiquement, MST, et une forme modifiée connue sous le nom de mMST développée par SRNL et Sandia National Laboratories, se présentent sous forme de poudres fines, particules de forme sphérique d'environ 1 à 10 microns de diamètre.
"En rendant chaque particule plus petite, " dit le Dr David Hobbs du SRNL, chef de projet de recherche, "vous augmentez la superficie, par rapport au volume global de la particule. Puisque la surface des particules est l'endroit où les réactions ont lieu, vous avez augmenté la zone de travail du MST." Par exemple, une particule de 10 nanomètres a un rapport surface/volume qui est 1000 fois celui d'une particule de 10 microns. Ainsi, ce projet visait à synthétiser des matériaux titanates présentant des tailles de particules nanométriques (1 à 200 nm). Après avoir réussi à synthétiser des titanates nanométriques, l'équipe a étudié et a découvert que les particules plus petites présentent effectivement de bonnes caractéristiques d'échange d'ions. Ils servent également de photocatalyseurs pour la décomposition des contaminants organiques et sont des plates-formes efficaces pour l'administration de métaux thérapeutiques.
Le Dr Hobbs et ses partenaires du projet ont examiné trois méthodes de production de particules de taille nanométrique, résultant en trois formes différentes. L'une est une méthode sol-gel, similaire au processus utilisé pour produire des particules MST "normales" de la taille du micron, mais en utilisant des tensioactifs et des concentrations diluées de produits chimiques réactifs pour contrôler la taille des particules. Cette méthode a donné lieu à des particules sphériques d'environ 100 à 150 nm de diamètre.
Une deuxième méthode a commencé avec des particules typiques de la taille d'un micron, puis délaminés et "décompressés" pour produire des particules fibreuses d'environ 10 nm de diamètre et de 100 à 150 nm de long. La troisième méthode, qui avait déjà été rapporté dans la littérature scientifique, était une technique hydrothermale qui produisait des nanotubes d'un diamètre d'environ 10 nm et d'une longueur d'environ 100 à 500 nm.
L'équipe avait une expertise considérable dans le travail avec MST, l'avoir préalablement modifié avec du peroxyde pour former du mMST, qui présente des performances améliorées dans l'élimination de certains contaminants des déchets radioactifs et la fourniture de métaux pour un traitement médical. Le MST nanométrique produit par les trois méthodes a été converti avec succès en la forme modifiée au peroxyde. Comme pour les titanates micrométriques, les titanates nanométriques modifiés au peroxyde présentent une couleur jaune. L'intensité de la couleur jaune est apparue moins intense avec les nanotubes produits par voie hydrothermale, suggérant que la surface chimiquement résistante des nanotubes peut limiter la conversion en mMST.
Les tests ont confirmé que les matériaux fonctionnent comme des échangeurs d'ions efficaces. Par exemple, les échantillons sphériques de nanoMST et de nanotubes et leurs formes respectives modifiées au peroxyde éliminent le strontium et les actinides des déchets radioactifs alcalins de haute activité. Dans des conditions faiblement acides, les titanates et peroxotitanates nanométriques ont éliminé plus de 90 % des 17 ions métalliques différents.
Les titanates "décompressés" et leurs formes modifiées au peroxyde se sont avérés être des photocatalyseurs particulièrement bons pour la décomposition des contaminants organiques.
Des tests de dépistage in vitro ont montré que les titanates à échange de métaux de taille nanométrique et micrométrique inhibent la croissance d'un certain nombre de lignées cellulaires bactériennes et cancéreuses buccales. Le mécanisme d'inhibition n'est pas connu, mais les résultats préliminaires de la microscopie électronique à balayage suggèrent que les titanates peuvent interagir directement avec la paroi du noyau pour fournir une concentration d'ions métalliques suffisante au noyau cellulaire pour inhiber la réplication cellulaire.
