Egenskaber af vand på nanoskala vil hjælpe med at designe innovative teknologier

Mekaniske ingeniører fra både Department of Energy på Politecnico di Torino og Translational Imaging Department ved Houston Methodist Research Institute har modelleret og givet et nyt indblik i de overraskende vandegenskaber i nanoskalaen, selvom mange andre spændende vandkarakteristika stadig mangler at blive afsløret fuldt ud. En bred vifte af teknologiske anvendelser kan drage fordel af disse resultater, fra ingeniør til biomedicinsk område, som for nylig vist i en videnskabelig artikel offentliggjort på Naturkommunikation .

Svømning i en honningpool. Det er den fornemmelse, et vandmolekyle skal "føle", mens det nærmer sig en fast overflade inden for et nanometer (dvs. mindre end en ti tusindedel af hårets diameter). Reduktionen af ​​vandmobilitet i meget tæt nærhed af overflader på nanoskalaen er det velkendte fænomen "nanokonference", og det skyldes både elektrostatiske og van der Waals tiltrækningskræfter, der styrer stofinteraktioner i den skala.

I denne sammenhæng, forskere fra Politecnico di Torino og Houston Methodist Research Institute har taget et yderligere skridt fremad, ved at formulere en kvantitativ model og en fysisk fortolkning, der er i stand til at forudsige nanokonklusionseffekten i en temmelig generel ramme. I særdeleshed, geometriske og kemiske egenskaber samt fysiske forhold for forskellige nanobegrænsende overflader (f.eks. proteiner, kulstof nanorør, silica-nanoporer eller jernoxidnanopartikler) er blevet kvantitativt relateret til mobilitetsreduktion og "superafkølings"-betingelser for vand, nemlig vandets vedholdenhed i flydende tilstand ved temperaturer langt under 0 ° C, når den er tæt på en fast overflade.

Dette resultat er opnået efter to års aktivitet i silico (dvs. computerbaseret) og in vitro (dvs. eksperimentdrevet) aktiviteter af Eliodoro Chiavazzo, Matteo Fasano, Pietro Asinari (Multi-Scale Modeling Lab, Department of Energy at Politecnico di Torino) og Paolo Decuzzi (Center for Rational Design of Multifunctional Nanoconstructs at Houston Methodist Research Institute).

Denne undersøgelse kan snart finde anvendelser i optimering og rationelt design af en lang række nye teknologier lige fra anvendt fysik (f.eks. "Nanofluider", suspensioner lavet af vand og nanopartikler til forbedring af varmeoverførsel) til bæredygtig energi (f.eks. termisk lagring baseret på nanokonfineret vand i sorbentmaterialer) fra påvisning og fjernelse af forurenende stoffer fra vand (f.eks. molekylsigter) til nanomedicin.

Sidstnævnte er det område, hvor forskningen faktisk har fundet en første vigtig anvendelse. Hvert år, næsten tres millioner af Magnetic Resonance Imaging (MRI) scanninger udføres, med diagnostiske formål. I det sidste årti, MR -teknologi havde fordel af forskellige betydelige videnskabelige fremskridt, hvilket muliggjorde mere præcise og skarpere billeder af patologiske væv. Blandt andet, kontrastmidler (dvs. stoffer, der bruges til at forbedre kontrast af strukturer eller væsker i kroppen) bidrog vigtigt til at forbedre MR -ydelser.

Denne forskningsaktivitet har været i stand til at forklare og forudsige stigningen i MR-præstationer på grund af nanobundne kontrastmidler, som i øjeblikket er under udvikling på Houston Methodist Research Institute. Derfor, opdagelsen baner vejen for yderligere at øge kvaliteten af ​​MR-billeder, for muligvis at forbedre chancerne for tidligere og mere præcis påvisning af sygdomme hos millioner af patienter, hvert år.

Yderligere resultater og anvendelser af nanoindeslutningseffekt på nanomedicin vil snart blive offentliggjort, takket være et tværfagligt samarbejde mellem biomedicinsk (Houston Methodist), teknik (Politecnico di Torino) og kemikalier (Rice University, Houston-TX) forskningsgrupper. I særdeleshed, jernoxidkontrastmidler fyldt i silicium eller polymere nanovektorer undersøges i øjeblikket, fordi de først kan koncentreres magnetisk i menneskelige syge væv og derefter bruges til at forbedre MR -ydelser. I øvrigt, en sådan nanokonstruktion ejer sine teranostiske egenskaber, hvilket betyder, at de kan bruges til diagnostiske (dvs. MR) og terapeutiske (dvs. temperaturudløst lægemiddelfrigivelse eller hypertermibehandlinger) på samme tid, hvilket er et væsentligt skridt fremad i krigen mod kræft.