En svamp i nanostørrelse lavet af elektroner

Et nyt kapitel er blevet åbnet i vores forståelse af den kemiske aktivitet af nanopartikler, siger et team af internationale videnskabsmænd. Ved hjælp af røntgenstrålerne fra European Synchrotron ESRF viste de, at elektronerne absorberet og frigivet af ceriumdioxid-nanopartikler under kemiske reaktioner opfører sig på en helt anden måde end tidligere antaget:elektronerne er ikke bundet til individuelle atomer, men, som en sky, fordele sig over hele nanopartiklerne. Inspireret af ligheden i dens form, forskerne kalder denne rumlige fordeling af partikler for en "elektronsvamp". Resultaterne blev offentliggjort den 12. november i tidsskriftet ACS Nano .

Holdet af videnskabsmænd blev ledet af Pieter Glatzel fra The European Synchrotron (ESRF) i Grenoble (Frankrig) og Victor Puntes fra Universitá Autònoma i Barcelona, Catalansk Institut for Nanoteknologi (Spanien). Den første forfatter er Jean-Daniel Cafun fra ESRF.

I dag, ceriumdioxid nanopartikler er meget udbredt i industrielle processer og også i forbrugerprodukter. De er til stede, for eksempel, i væggene i selvrensende ovne og fungerer som kulbrintekatalysator under højtemperaturrensningsprocessen. De er også en varm kandidat til den næste generation af lithium-ion-batterier, som vil udvise højere spændinger og en større lagerkapacitet sammenlignet med nutidens energiceller.

Grundstoffet Cerium er rigeligt i jordskorpen og kan nemt udvindes og renses. Imidlertid, uden en grundig forståelse af de kemiske processer, der sker på overfladen af ​​ceriumdioxid-nanopartikler, det er umuligt at optimere deres nuværende og fremtidige brug. Og for at løse et mere komplekst problem, det er også umuligt at vurdere grænserne for deres sikre anvendelse.

De fleste kemiske reaktioner involverer overførsel af en elektron fra et atom til et andet. I fortiden, man mente, at elektronerne involveret i en kemisk reaktion på overfladen af ​​en nanopartikel var lokaliseret i et af atomerne ved overfladen. For at bestemme elektronernes opførsel under reaktionen, forskerne brugte de intense røntgenstråler ved ESRF til at undersøge opløsninger af nanopartikler i vand og ethanol. Nanopartiklerne havde en diameter på 3 nm og bestod af flere tusinde molekyler af ceriumdioxid.

Det er kendt, at nanopartikler kan ændre deres adfærd under vakuum, når de studeres med et elektronmikroskop, for eksempel. Forskerne udførte derfor deres eksperiment under realistiske forhold, at studere nanopartiklerne i opløsning og i realtid, mens den kemiske reaktion fandt sted. "Det var kun muligt at udføre disse eksperimenter i en væske i stedet for under vakuum, fordi vi brugte røntgenstråler som sonder til elektronfordelingen." siger Jean Daniel Cafun.

I deres eksperiment, forskerne havde succes med at observere skabelsen af ​​nanopartikler i opløsning og derefter hvordan disse nanopartikler eliminerede meget reaktive molekyler (reaktive oxygenarter, eller ROS) fra løsningen. Denne elimineringsproces efterligner rollen som et vigtigt enzym i levende organismer - katalase - der beskytter celler mod disse aggressive molekyler. Kræftpatienter, der gennemgår strålebehandling, har høje niveauer af ROS i deres kroppe, og ceria-nanopartikler er blevet foreslået som en måde at reducere niveauerne af ROS og dermed lindre de negative virkninger af terapien på patienterne. Gennem hele den kemiske reaktion, den elektroniske struktur af cerium atomerne og dermed omfordelingen af ​​elektronskyen blev overvåget. "Det er afgørende at kunne studere partiklernes kemiske processer i et miljø, der er tæt på forhold, der findes i biologiske systemer." understreger Victor Puntes.

"Forskere har diskuteret spørgsmålet:Hvad sker der, når elektroner føjes til ceria-nanopartikler? Arbejdet af Cafun et al. er en nøgleundersøgelse, fordi den sætter spørgsmålstegn ved nutiden, bredt accepteret model og vil lede forskningen i en ny retning." siger Frank de Groot, en ekspert i nanomaterialer ved Utrecht Universitet, som ikke deltog i eksperimentet.

Det næste skridt, som allerede er påbegyndt, vil være at vurdere, om ikke-lokaliserede elektroner kun er en egenskab ved ceriumdioxid eller også af andre meget anvendte nanopartikler som titaniumdioxid. "Parallelt, chemists have to revisit their theoretical models to explain the chemical behaviour of nanoparticles and to better understand how electrons are transferred in chemical reactions taking place on their surface." concludes Pieter Glatzel.