Chercheurs de l'IPC PAS, WUT et IRIG ont comparé les structures des couches organiques qui stabilisent les QD de ZnO préparés par les deux méthodes (c'est-à-dire la méthode sol-gel couramment utilisée et l'approche OSSOM développée à Varsovie). Nous avons essayé de présenter l'essence de notre recherche comme a) arrangée de façon chaotique, aiguilles de couleurs différentes - caractéristiques des QDs ZnO dérivés sol-gel, et b) les mains disposées par paires, très régulièrement autour du noyau, ce qui est caractéristique des QD de ZnO préparés par la méthode OSSOM. Crédit :IPC PAS, G.Krzyzewski
L'oxyde de zinc nanocristallin (ZnO) est actuellement l'un des nanomatériaux d'oxyde métallique semi-conducteur les plus couramment utilisés en raison de ses caractéristiques catalytiques et électro-optiques uniques. Les propriétés physico-chimiques inhérentes et distinctives des nanostructures de ZnO dépendent d'une variété de facteurs qui sont déterminés par la procédure de synthèse appliquée et le caractère de l'interface nanocristal-ligand résultante. Ainsi, la préparation de nanostructures stables de ZnO, notamment des nanoparticules de tailles inférieures à 10 nm, c'est-à-dire les points quantiques (QD), avec les propriétés physico-chimiques souhaitées reste encore un énorme défi pour les chimistes.
Récemment, des scientifiques de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences (IPC PAS) et de l'Université de technologie de Varsovie (WUT) en coopération avec l'Institut de recherche interdisciplinaire de Grenoble (IRIG) ont utilisé la polarisation nucléaire dynamique (DNP) spectroscopie de résonance (RMN) pour la caractérisation détaillée des interfaces organiques-inorganiques des QD de ZnO préparées par le procédé sol-gel traditionnel et la procédure organométallique autoportante monopot (OSSOM) récemment développée. En parallèle, des investigations ont été menées sur la conception et la préparation de QD de ZnO biostables ainsi que sur la détermination de leur relation structure-activité biologique. Ces études ont été publiées dans des revues à fort impact Angewandte Chemie et Rapports scientifiques .
"Nous voulions confirmer sans ambiguïté que les QD de ZnO préparés dans notre laboratoire en utilisant l'approche OSSOM sont d'une qualité sans précédent, " raconte co-auteur des deux articles, Dr Magorzata Wolska-Pietkiewicz. "Jusqu'à maintenant, Les QD de ZnO ont été couramment produits par un procédé sol-gel. Cependant, le principal inconvénient de cette méthode traditionnelle est la faible reproductibilité, ce qui inhibe probablement à la fois l'uniformité de la morphologie des particules et la composition de l'enveloppe du ligand organique. Par conséquent, les nanostructures résultantes sont essentiellement instables et ont tendance à s'agréger. À mon avis, cela a considérablement limité les applications potentielles du ZnO nanocristallin dans diverses technologies, " ajoute le Dr Wolska-Pietkiewicz.
"Une alternative à la méthode sol-gel omniprésente sont des approches organométalliques humides très prometteuses. Récemment développées dans notre laboratoire, le procédé OSSOM est basé sur l'exposition contrôlée à l'air d'un précurseur organozincique bien défini. Le procédé OSSOM est contrôlé thermodynamiquement et se déroule à température ambiante, " explique le professeur Janusz Lewinski. Pour mettre en évidence la supériorité de l'approche organométallique pour la préparation des QD de ZnO, à la fois les propriétés axées sur la procédure ainsi que les structures des coques de ligands organiques des QD préparées par l'approche OSSOM et la procédure sol-gel ont été comparées. À cette fin, les scientifiques ont appliqué la méthode DNP-RMN qui est en cours de développement dans le groupe du Dr Gaël De Paëpe (IRIG).
"Cette technique de RMN nous permet d'étudier les interfaces des nanomatériaux avec une précision atomique et ainsi de démontrer la différence entre les matériaux testés, " poursuit le Dr Daniel Lee et ajoute que la capacité de déterminer la nature et la structure exactes de l'interface donne un aperçu précieux des futures conceptions de nouveaux nanomatériaux fonctionnels entièrement stables. En outre, Les mesures DNP-RMN sont relativement rapides et ne prennent que quelques heures. Ce n'est vraiment pas grand chose, surtout par rapport à la spectroscopie RMN conventionnelle, ce qui (dans le cas de mesures à résolution comparable) nécessiterait... environ un an.
"La méthode OSSOM conduit à la formation de QD de ZnO recouverts de revêtements organiques fortement ancrés et hautement ordonnés. En revanche, à la surface de nanostructures de ZnO dérivées sol-gel, coating ligand molecules are randomly distributed, " Dr. Wolska-Pietkiewicz points out. What is more, ligands could be easily removed from the surface of QDs derived from sol-gel process, changing the properties of the resulting nanomaterial. "In our method, the surface is super-protected, and QDs are stable. Par conséquent, the OSSOM approach affords high-quality ZnO QDs with unique physicochemical properties, which are prospective for biological applications, " adds Dr. Wolska-Pietkiewicz.
The research conducted at the IPC PAS enabled resolving the vastly different nanocrystal-ligand interfaces structure of ZnO NCs. In the photo:Dr. Ma?gorzata Wolska-Pietkiewicz presenting a "perfect" ZnO nanoparticle emerging from a symbolic reaction mixture (balloons). Crédit :IPC PAS, G.Krzyzewski
Why is it so important?
"This preliminary study has only just scratched the surface (pun intended) of what can be achieved, " says Dr. Lee. "We have shown that being able to study nanomaterials' surface stability at an atomic scale enables the understanding of how to provide their stability, which is extremely important from the point of view of subsequent applications:from sensors and optical devices to targeted drug delivery and nanomedicines."
"In the near future, we could design, par exemple, safe and effective drug nanocarriers for cancer therapies, in which we would be able to deposit appropriately selected, active molecules within our ordered organic layer. Positioning is important especially for targeted therapies, par exemple. photodynamic therapy, because it allows the drug to be released evenly in a particular environment and at the right speed. En outre, owing to the achieved ligands ordering, we are able to pack a lot of active drug particles on a small carrier, " adds Professor Lewinski.
