Les ingénieurs mécaniciens du Département de l'énergie du Politecnico di Torino et du Département d'imagerie translationnelle du Houston Methodist Research Institute ont modélisé et fourni un nouvel aperçu des propriétés surprenantes de l'eau à l'échelle nanométrique, même si de nombreuses autres caractéristiques intrigantes de l'eau sont encore loin d'être entièrement dévoilées. Un large éventail d'applications technologiques peuvent bénéficier de ces découvertes, de l'ingénierie au domaine biomédical, comme l'a montré récemment un article scientifique publié sur Communication Nature .

Baignade dans une piscine de miel. C'est la sensation qu'une molécule d'eau devrait « ressentir » en s'approchant d'une surface solide à moins d'un nanomètre (c'est-à-dire moins d'un dix-millième du diamètre d'un cheveu). La réduction de la mobilité de l'eau à très grande proximité des surfaces à l'échelle nanométrique est le phénomène bien connu du "nanoconfinement", et cela est dû à la fois aux forces d'attraction électrostatiques et de van der Waals qui régissent les interactions de la matière à cette échelle.

Dans ce contexte, des scientifiques du Politecnico di Torino et du Houston Methodist Research Institute ont franchi une nouvelle étape, en formulant un modèle quantitatif et une interprétation physique capable de prédire l'effet nanoconfinement dans un cadre assez général. En particulier, caractéristiques géométriques et chimiques ainsi que les conditions physiques de diverses surfaces de nanoconfinement (par exemple, protéines, nanotubes de carbone, nanopores de silice ou nanoparticules d'oxyde de fer) ont été quantitativement liés à la réduction de la mobilité et aux conditions de "surfusion" de l'eau, à savoir la persistance de l'eau à l'état liquide à des températures très inférieures à 0°C, à proximité d'une surface solide.

Ce résultat a été obtenu après deux ans d'activités in silico (c'est-à-dire informatisées) et in vitro (c'est-à-dire expérimentales) par Eliodoro Chiavazzo, Matteo Fasano, Pietro Asinari (Laboratoire de modélisation multi-échelle, Department of Energy du Politecnico di Torino) et Paolo Decuzzi (Center for the Rational Design of Multifunctional Nanoconstructs au Houston Methodist Research Institute).

Cette étude pourrait bientôt trouver des applications dans l'optimisation et la conception rationnelle d'une grande variété de nouvelles technologies allant de la physique appliquée (par exemple, les "nanofluides", suspensions à base d'eau et de nanoparticules pour améliorer le transfert de chaleur) en énergie durable (par exemple, stockage thermique basé sur de l'eau nanoconfinée dans des matériaux sorbants) ; de la détection et l'élimination des polluants de l'eau (par exemple les tamis moléculaires) à la nanomédecine.

Ce dernier est le domaine où la recherche a en effet trouvé une première application importante. Chaque année, près de soixante millions d'examens d'imagerie par résonance magnétique (IRM) sont effectués, à des fins diagnostiques. Dans la dernière décennie, La technologie IRM a bénéficié de diverses avancées scientifiques importantes, ce qui a permis des images plus précises et plus nettes des tissus pathologiques. Parmi d'autres, les agents de contraste (c'est-à-dire les substances utilisées pour améliorer le contraste des structures ou des fluides dans le corps) ont contribué de manière importante à l'amélioration des performances de l'IRM.

Cette activité de recherche a permis d'expliquer et de prédire l'augmentation des performances IRM due aux agents de contraste nanoconfinés, qui sont actuellement en cours de développement au Houston Methodist Research Institute. D'où, la découverte ouvre la voie à une augmentation supplémentaire de la qualité des images IRM, afin d'améliorer éventuellement les chances de détection plus précoce et plus précise des maladies chez des millions de patients, chaque année.

Des résultats supplémentaires et des applications de l'effet du nanoconfinement sur la nanomédecine seront bientôt publiés, grâce à une collaboration multidisciplinaire entre biomédical (Houston Methodist), l'ingénierie (Politecnico di Torino) et la chimie (Rice University, Houston-TX) groupes de recherche. En particulier, des agents de contraste à base d'oxyde de fer chargés dans des nanovecteurs de silicium ou polymériques sont actuellement étudiés, car ils peuvent être d'abord concentrés magnétiquement dans les tissus humains malades, puis utilisés pour améliorer les performances de l'IRM. De plus, un tel nanoconstruct possède des propriétés théranostiques, ce qui signifie qu'ils peuvent être utilisés à la fois à des fins diagnostiques (c'est-à-dire IRM) et thérapeutiques (c. ce qui est un pas en avant important dans la guerre contre le cancer.