Nos dias de hoje, nanopartículas finamente distribuídas em suspensões são usadas em muitas áreas, por exemplo, em produtos cosméticos, em catalisadores industriais, ou em agentes de contraste para exames medicinais. Pela primeira vez, uma equipe de pesquisa da Universidade de Bayreuth conseguiu determinar com precisão as inter-relações das nanopartículas magnéticas com o líquido que as rodeia, até mesmo no nível atômico. Acontece que é principalmente uma questão da estrutura cristalina da nanopartícula e de como as moléculas de água em sua vizinhança imediata se realinham. Os cientistas apresentaram suas descobertas na revista Nature Communications .

Com base em estudos teóricos e experimentais, a comunidade de pesquisa há muito presumia que as moléculas de um líquido se agrupavam em torno de uma nanopartícula sólida como uma casca. Dentro dessas chamadas camadas de solvatação - no caso de soluções de água, também são chamadas de camadas de hidratação - três a cinco camadas podem ser distinguidas, correspondendo ao arranjo das moléculas líquidas. No entanto, até agora, apenas informações sobre o número e o tamanho dessas camadas estavam acessíveis.

Consequentemente, a equipe de cientistas que trabalha com o professor júnior de Bayreuth, Mirijam Zobel, deu uma olhada mais de perto nas estruturas atômicas e moleculares dessas camadas em uma série de experimentos. Para este fim, medições de raios-X de alta energia foram realizadas usando o Diamond Lightsource, um síncrotron de elétrons na Grã-Bretanha. As investigações se concentraram em nanopartículas magnéticas, amplamente utilizado atualmente na biomedicina, especialmente na liberação direcionada de drogas, e na ressonância magnética. Ao fazer isso, os pesquisadores descobriram que mesmo as distâncias que separam os átomos das moléculas de água que circundam uma nanopartícula podem ser medidas com precisão. Desta maneira, finalmente ficou claro como as moléculas de água aderem à nanopartícula:em alguns casos, por meio de ligações dissociativas, em outros casos, por meio de adsorção molecular.

"Foi surpreendente para nós que a água na vizinhança de minúsculas nanopartículas de óxido de ferro magnético se organizou da mesma forma que nas superfícies niveladas de óxido de ferro no nível macroscópico. Fomos capazes de provar que a maneira como as moléculas de líquido se organizam nas proximidades de um nanopartícula depende principalmente da estrutura cristalina da nanopartícula. Em contraste, as pequenas moléculas orgânicas encontradas nas superfícies das nanopartículas não têm influência direta no arranjo das moléculas líquidas, "explica o líder do projeto Mirijam Zobel.

"Esses são insights importantes para pesquisas futuras e suas aplicações. Como essas moléculas orgânicas, com o qual as nanopartículas são estabilizadas, servem como pontos de ancoragem quando, em aplicações biomédicas, as nanopartículas são carregadas, com anticorpos, por exemplo. Portanto, para a liberação de tais agentes medicinais, é de importância crucial entender em detalhes a influência dessas moléculas nas características e comportamento das nanopartículas, "A aluna de Ph.D. de Bayreuth Sabrina Thomä M.Sc. explica, autor principal do estudo publicado em Nature Communications . A professora júnior Mirijam Zobel continua:"O estudo das conchas de solvatação em torno das nanopartículas, entretanto, estabeleceu-se como um assunto por si só em todo o mundo. Estamos convencidos de que o método que desenvolvemos, que implantamos no novo estudo, pode ser usado de forma mais geral. De fato, no futuro, seremos capazes de alcançar muitos outros insights interessantes sobre a ciência da solvatação, por exemplo, nas áreas de catalisadores e nucleação. "

Para determinar as estruturas das moléculas líquidas em conchas de solvatação, a equipe de pesquisa centrada em torno do Prof. Dr. Mirijam Zobel fez uso de um método de pesquisa baseado em raios-X conhecido como Função de Distribuição de Pares (PDF). Um difratômetro de raios-X de alto desempenho, que visa avançar o uso deste método tão importante para as nanociências, foi instalado recentemente no Campus da Universidade de Bayreuth.