Ces jours, les nanoparticules finement réparties en suspensions sont utilisées dans de nombreux domaines - par exemple dans les produits cosmétiques, dans les catalyseurs industriels, ou en agents de contraste pour les examens médicaux. Pour la première fois, une équipe de recherche de l'université de Bayreuth est parvenue à déterminer avec précision les interrelations des nanoparticules magnétiques avec le liquide qui les entoure, même au niveau atomique. Comme il s'avère, il s'agit principalement de la structure cristalline de la nanoparticule quant à la façon dont les molécules d'eau dans leur voisinage immédiat se réalignent. Les scientifiques ont présenté leurs découvertes dans la revue Communication Nature .

Sur la base d'études théoriques et expérimentales, la communauté des chercheurs a longtemps supposé que les molécules d'un liquide se groupaient autour d'une nanoparticule solide comme une coquille. Au sein de ces coquilles dites de solvatation - dans le cas des solutions aqueuses, elles sont également appelées coquilles d'hydratation - trois à cinq couches peuvent être distinguées, correspondant à l'arrangement des molécules liquides. Pourtant jusqu'à maintenant, seules les informations sur le nombre et la taille de ces couches étaient accessibles.

Par conséquent, l'équipe de scientifiques travaillant avec la professeure junior de Bayreuth Mirijam Zobel, a examiné de plus près les structures atomiques et moléculaires de ces couches dans une série d'expériences. À cette fin, des mesures aux rayons X à haute énergie ont été effectuées à l'aide de la Diamond Lightsource, un synchrotron à électrons en Grande-Bretagne. Les investigations se sont concentrées sur les nanoparticules magnétiques, largement utilisé de nos jours en biomédecine, en particulier dans la libération ciblée de médicaments, et en imagerie par résonance magnétique. Ce faisant, les chercheurs ont découvert que même les distances séparant les atomes des molécules d'eau qui entourent une nanoparticule peuvent être mesurées avec précision. De cette façon, il est finalement devenu évident comment les molécules d'eau adhèrent à la nanoparticule :dans certains cas au moyen de liaisons dissociatives, dans d'autres cas par adsorption moléculaire.

« Il était surprenant pour nous que l'eau à proximité de minuscules nanoparticules magnétiques d'oxyde de fer se soit disposée de la même manière que sur des surfaces d'oxyde de fer planes au niveau macroscopique. Nous avons pu prouver que la façon dont les molécules liquides s'organisent à proximité d'un nanoparticule dépend principalement de la structure cristalline de la nanoparticule. les petites molécules organiques présentes à la surface des nanoparticules n'ont pas d'influence directe sur la disposition des molécules liquides, " explique la chef de projet Mirijam Zobel.

"Ce sont des informations importantes pour de futures recherches et leurs applications. Parce que ces molécules organiques, avec lesquelles les nanoparticules sont stabilisées, servir de points d'ancrage lorsque, dans les applications biomédicales, les nanoparticules sont chargées, avec des anti-corps, par exemple. Par conséquent, pour la libération de ces agents médicinaux, il est crucial de comprendre en détail l'influence de ces molécules sur les caractéristiques et le comportement des nanoparticules, " La doctorante de Bayreuth, Sabrina Thomä M.Sc., explique :auteur principal de l'étude publiée dans Communication Nature . La professeure junior Mirijam Zobel poursuit :« L'étude des coques de solvatation autour des nanoparticules s'est entre-temps imposée comme un sujet à part entière partout dans le monde. Nous sommes convaincus que la méthode que nous avons développée, que nous avons déployé dans la nouvelle étude, peut être utilisé plus généralement. En effet, à l'avenir, nous serons en mesure d'obtenir beaucoup plus d'informations passionnantes sur la science de la solvatation, par exemple dans les domaines des catalyseurs et de la nucléation."

Pour déterminer les structures des molécules liquides dans les coquilles de solvatation, l'équipe de recherche centrée autour du professeur Dr. Mirijam Zobel a utilisé une méthode de recherche basée sur les rayons X appelée fonction de distribution de paires (PDF). Un diffractomètre à rayons X haute performance, qui devrait faire progresser l'utilisation de cette méthode si importante pour les nanosciences, a été récemment installé sur le Campus de l'Université de Bayreuth.