Forskere forklarer, hvordan uorden i små krystaller muliggør varmeterapeutiske systemer

En ny forskningsundersøgelse ved Institute of Electronic Structure and Lasers (IESL) under Foundation for Research and Technology-Hellas (FORTH) finder, at små krystaller, mange tusinde gange mindre end en støvpartikel, når de er klædt på af den rigtige slags ufuldkommenheder, justere deres elektroniske egenskaber for positivt at omdanne energi til varme, en vigtig egenskab for potentiel brug i smarte materialer til energi, sundhed, sensorer osv. Den relaterede artikel, medforfatter af IESL's forskere, har titlen "Vacance-drevet ikke-kubisk lokal struktur og magnetisk anisotropi skræddersyet i Fe _x O-Fe _3-5 O ₄ Nanokrystaller, " og blev for nylig offentliggjort i det førende videnskabelige tidsskrift Fysisk gennemgang X .

Langs disse linjer, og især i kampen for at bekæmpe kræft, forskere udvikler aktivt sofistikerede strategier til at ødelægge tumorer ved at hæve deres temperatur. I en sådan tilgang, nanoskala krystaller (dvs. bittesmå partikler hundredetusinde gange mindre end tykkelsen af ​​et menneskehår, kaldet "nanokrystaller"), der sprøjtes ind i kræftvævet og opvarmes af eksterne stimuli (f.eks. et magnetfelt), tilbyder en ny, minimalt invasiv terapeutisk løsning, der også kan hjælpe med at reducere toksiciteten af ​​kræftbehandlinger.

Holdet på FORTH-IESL kom op med det nye koncept, at de nødvendige fysiske egenskaber kan opstå fra brydning af symmetrier, ved at indføre ledige stillinger (dvs. tomme atomare steder), snarere end ved at have krystaller med perfekt ordnede atomarrangementer.

Funktionaliteten af ​​et sådant systems tilstand afspejles i forbedret ydeevne ved magnetisk medieret opvarmning (lokal temperaturstigning ud over fysiologiske grænser, kendt som "hypertermi") forfølges med krystallinske partikler i nanoskala. Ideen følger Pierre Curies princip (1894), ræsonnement om mysterierne om symmetribrud, der påvirker vidtrækkende fænomener i nutidige naturvidenskaber (jf. fra piezoelektricitet og kvantefeltteori til proteinfoldning).

For at gennemføre denne kritiske forskning med succes, Dr. Alexandros Lappas, en kemisk fysiker og forskningsdirektør ved IESL, har koordineret et tværfagligt samarbejde, der har samlet teori og modellering fra INN-Demokritos (Grækenland), magnetiske karakteriseringer fra CNR-SPIN &UNINA (Italien), videnskabelig forskning med fotoner fra CMPMSD-BNL (U.S.), og materialeanalyse i nanoskala fra LCN (UK) med det formål at udforske forholdet mellem strukturelle defekter på størrelsen og formen af ​​kolloide nanokrystaller af jernoxid, og at bestemme, hvordan disse kobles til magnetiske egenskaber, der er relevante for nanobioteknologi.

Nøglen til at afdække de nuværende resultater var brugen af ​​ultralys, højenergipartikler af lys (fotoner), der tilbydes på en synkrotronfacilitet (NSLS-II, BNL, OS.). At være hundreder af millioner gange lysere end de konventionelle medicinske røntgenbilledkilder, den ekstreme opløsningsevne af sådanne lysstråler, når det er spredt fra en prøve, hjalp med at identificere, at metalatomer trak sig ud fra krystalgitteret under en redoxproces, skabe ledige steder (dvs. ufuldkommenheder), der er korreleret til hinanden via lokale forvrængninger.

"Den nye lokale symmetri bryder på grund af defekter, ændrer nanokrystallens magnetiske anisotropi i den gunstige retning. De ledige stillinger fungerer som pinningscentre, der fremmer konkurrencen mellem de elementære magneter (spin), som de er sammensat af, i realiteten hindrer den sammenhængende vending og let afspænding af spins. Dette muliggør en bemærkelsesværdig ti-dobling af nanomaterialets termoresponsive ydeevne, sammenlignet med det, der opnås af fejlfrie enheder. Frigivelsen af ​​energi fra spindene kan ligne en genstand, der diffunderer gennem et viskøst medium, hvor jo højere densiteten af ​​væsken er, jo mere effektivt decelererer den, og dens kinetiske energi omdannes til varme, " forklarer Alexandros Lappas, gruppeleder ved Quantum Materials and Magnetism Lab i FORTH-IESL.

Undersøgelsen antyder de bredere implikationer af atom-skala defektkontrol som en designparameter, der favoriserer anisotrope egenskaber for optimerede nanomaterialer, med samtidige diagnostiske og terapeutiske funktioner, f.eks., magnetiske billedstyrede termoresponsive cellulære processer, eftersøgt inden for teranologi.