Um novo capítulo foi aberto em nossa compreensão da atividade química das nanopartículas, afirma uma equipe de cientistas internacionais. Usando os feixes de raios-X do Síncrotron ESRF europeu, eles mostraram que os elétrons absorvidos e liberados pelas nanopartículas de dióxido de cério durante as reações químicas se comportam de uma maneira completamente diferente do que se pensava anteriormente:os elétrons não estão ligados a átomos individuais, mas, como uma nuvem, distribuem-se por toda a nanopartícula. Inspirado pela semelhança de sua forma, os cientistas chamam essa distribuição espacial de partículas de "esponja de elétrons". Os resultados foram publicados no dia 12 de novembro na revista. ACS Nano .

A equipe de cientistas foi liderada por Pieter Glatzel do The European Synchrotron (ESRF) em Grenoble (França) e Victor Puntes da Universitá Autònoma de Barcelona, Instituto Catalão de Nanotecnologias (Espanha). O primeiro autor é Jean-Daniel Cafun do ESRF.

Hoje, As nanopartículas de dióxido de cério são amplamente utilizadas em processos industriais e também em produtos de consumo. Eles estão presentes, por exemplo, nas paredes de fornos autolimpantes e atuam como um catalisador de hidrocarbonetos durante o processo de limpeza em alta temperatura. Eles também são um grande candidato para a próxima geração de baterias de íon-lítio, que exibirão tensões mais altas e uma maior capacidade de armazenamento em comparação com as células de energia de hoje.

O elemento Cério é abundante na crosta terrestre e pode ser facilmente extraído e purificado. Contudo, sem uma compreensão completa dos processos químicos que acontecem na superfície das nanopartículas de dióxido de cério, é impossível otimizar seu uso atual e futuro. E para resolver um problema mais complexo, também é impossível avaliar os limites de seu uso seguro.

A maioria das reações químicas envolve a transferência de um elétron de um átomo para outro. No passado, acreditava-se que os elétrons envolvidos em uma reação química na superfície de uma nanopartícula estavam localizados em um dos átomos da superfície. Para determinar o comportamento dos elétrons durante a reação, os cientistas usaram os intensos feixes de raios-X no ESRF para sondar soluções de nanopartículas em água e etanol. As nanopartículas tinham um diâmetro de 3 nm e consistiam em vários milhares de moléculas de dióxido de cério.

Sabe-se que as nanopartículas podem mudar seu comportamento sob vácuo quando estudadas com um microscópio eletrônico, por exemplo. Os cientistas, portanto, realizaram seu experimento em condições realistas, estudar as nanopartículas em solução e em tempo real enquanto a reação química ocorria. "Só foi possível conduzir esses experimentos em um líquido em vez de no vácuo porque usamos os raios X como sondas para a distribuição de elétrons." diz Jean Daniel Cafun.

Em seu experimento, os cientistas tiveram sucesso em observar a criação das nanopartículas em solução e, em seguida, como essas nanopartículas eliminaram moléculas altamente reativas (espécies reativas de oxigênio, ou ROS) da solução. Esse processo de eliminação imita o papel de uma enzima importante nos organismos vivos - a catalase - que protege as células dessas moléculas agressivas. Pacientes com câncer submetidos à radioterapia apresentam altos níveis de ROS em seus corpos e nanopartículas de céria têm sido propostas como forma de reduzir os níveis de ROS e, assim, aliviar os impactos negativos da terapia nos pacientes. Ao longo da reação química, a estrutura eletrônica dos átomos de cério e, portanto, a redistribuição da nuvem de elétrons foi monitorada. "É fundamental poder estudar os processos químicos das partículas em um ambiente próximo às condições encontradas em sistemas biológicos." enfatiza Victor Puntes.

“Os cientistas têm discutido a questão:o que acontece quando os elétrons são adicionados às nanopartículas de céria? O trabalho de Cafun et al. É um estudo-chave porque questiona o presente, modelo amplamente aceito e conduzirá a pesquisa em uma nova direção ", diz Frank de Groot, um especialista em nanomateriais da Universidade de Utrecht que não participou do experimento.

O próximo passo, que já foi iniciado, será avaliar se os elétrons não localizados são uma propriedade do dióxido de cério apenas ou também de outras nanopartículas amplamente utilizadas como o dióxido de titânio. "Em paralelo, 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.