Een nieuw materiaal met antischimmel- en antitumoreigenschappen is ontwikkeld door onderzoekers van het Center for Development of Functional Materials (CDMF), een van de onderzoeken, Innovatie- en verspreidingscentra (RIDC's) ondersteund door São Paulo Research Foundation-FAPESP. CDMF wordt gehost door de Federale Universiteit van São Carlos (UFSCar) in de staat São Paulo, Brazilië.

De verbinding werd verkregen uit een monster van puur zilverwolframaat (α-Ag ₂ WO ₄ ) bestraald met elektronen en laserlicht in pulsen van enkele femtoseconden. Een femtoseconde is een quadriljoenste van een seconde, de tijdschaal van chemische reacties waarbij elektronen worden uitgewisseld tussen atomen en moleculen. Het nieuwe materiaal wordt beschreven in een artikel gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

Het toenemende gebruik van halfgeleiders heeft geleid tot de ontwikkeling van nieuwe materialen met een breed scala aan technologische toepassingen. Een familie van halfgeleiders in het bijzonder die de aandacht van onderzoekers in de materiaalkunde heeft getrokken, is die van ternaire wolfraamoxiden, zoals metallische wolframaat.

Zilver wolframaat, die tot deze familie behoort, is een belangrijk anorganisch materiaal met toepassingen in fotokatalyse en fotoschakelaars of als alternatief voor conventionele halfgeleiders met brede bandgap. Onderzoekers verbonden aan CDMF doen al jaren onderzoek naar zilverwolframaat.

"In een experiment dat in 2018 werd uitgevoerd, waarin zilverwolframaat werd bestraald met elektronen, we observeerden onder een elektronenmicroscoop het verschijnen van minuscule 'haartjes' die groeiden op moleculen van het materiaal. Dit waren niets anders dan filamenten van nanodeeltjes gewonnen uit zilverwolframaat door elektronenbestraling, " zei Elson Longo, Emeritus hoogleraar bij de afdeling Chemie van UFSCar en hoofdonderzoeker van CDMF.

"Zilver is een chemisch element met bacteriedodende eigenschappen. Zilverwolframaat heeft ook deze eigenschappen, maar wat we het meest opvallend vonden, was dat na te zijn gemodificeerd door elektronenbestraling en zilverfilamentconstructie, het composiet vertoonde een antischimmelactiviteit die 32 keer effectiever was dan vóór de bestraling."

De antischimmelactiviteit van het gemodificeerde composiet werd geverifieerd in Candida albicans, de schimmel die candidiasis en spruw veroorzaakt. De onderzoekers kweekten de schimmel in petrischalen. Ze kenden al de minimale hoeveelheid zilverwolframaat die nodig was om de schimmel te elimineren en brachten dezelfde hoeveelheid van het gemodificeerde composiet op de kweek aan. Het waargenomen resultaat was vergelijkbaar.

De onderzoekers halveerden vervolgens het volume van de stof en herhaalden de procedure, weer het elimineren van de schimmel. Ze herhaalden de procedure in totaal 32 keer, altijd met bevredigende antischimmelresultaten, wat aantoont dat de schimmelwerende eigenschappen van het gemodificeerde composiet 32 ​​keer krachtiger waren dan die van het oorspronkelijke zilverwolframaat.

De antitumorwerking van het composiet werd getest in blaaskankercellen van muizen, die 24 uur zijn blootgesteld aan verschillende concentraties (4,63 microgram per milliliter, 11,58 g/ml, 23,16 g/ml, en 46,31 g/ml).

Volgens Longo, de resultaten toonden een significante vermindering van de levensvatbaarheid van de cellen. Het beste resultaat werd verkregen met een concentratie van 11,58 g/ml wanneer de levensvatbaarheid van blaaskankercellen met 80% daalde.

Nadat ze de antischimmel- en antitumoreigenschappen van het composiet hadden aangetoond, de onderzoekers van CDMF en UFSCar onderzochten de veiligheid voor toekomstig gebruik bij menselijke patiënten.

Vier concentraties van het bestraalde zilverwolframaatcomposiet die boven het optimale bereik van fungicide activiteit lagen (3,9 g/mL-31,2 g/mL) werden bestudeerd in een menselijke gingivale fibroblastcellijn.

Na incubatie gedurende 24 uur, het effect van de composiet op de levensvatbaarheid van cellen, proliferatie en morfologie werd geëvalueerd door kwantitatieve fluorometrische test en scanning elektronenmicroscopie.

"We vonden geen statistisch significant verlies van cellevensvatbaarheid bij deze concentraties in vergelijking met de controle, waaruit blijkt dat het composiet geen risico vormt voor de menselijke gezondheid, ' zei Longo.

Golf-deeltje dualiteit

De studie bereikte ook de belangrijke wetenschappelijke mijlpaal om de dualiteit van golven en deeltjes experimenteel aan te tonen. De dualiteit van golven en deeltjes is een fundamentele eigenschap van materie die in 1924 werd voorgesteld door de Franse natuurkundige Louis-Victor de Broglie (1892-1987), volgens wie elektronen en andere discrete stukjes materie, tot dan toe alleen als stoffelijke deeltjes beschouwd, kan ook golfeigenschappen hebben, afhankelijk van het experiment.

"In 1929, de Nobelprijs voor Natuurkunde werd toegekend aan de Broglie voor de ontdekking dat alle materie golfeigenschappen kan hebben. In de negen decennia daarna, golf-deeltjes dualiteit is waargenomen en bewezen in een groot aantal wetenschappelijke experimenten, maar tot nu toe, niemand heeft het experimenteel aangetoond met behulp van bundels van deeltjes [elektronen in dit geval] en bundels van golven [laser] om identieke veranderingen in samengestelde materialen te verkrijgen, ' zei Longo.

"Toen we ons realiseerden dat elektronenstraling zilveren nanodeeltjesfilamenten op zilverwolframaat produceerde, we besloten te onderzoeken of hetzelfde resultaat kon worden bereikt met laserlicht, daarmee experimenteel bewijzend de dualiteit golf-deeltjes voorgesteld door de Broglie 95 jaar geleden."

De wetenschappelijke literatuur wijst momenteel op het toenemende gebruik van femtoseconde laserstraling bij materiaalverwerking als een techniek voor het verkrijgen van nieuwe verbindingen met zeer aantrekkelijke eigenschappen die technologische vooruitgang kunnen stimuleren.

"Tijdens het elektronenbestralingsproces, structurele wanorde wordt geïntroduceerd in de zilverwolframaatelektronen, en dit speelt een sleutelrol bij de kiemvorming en groei van zilverfilamenten, ' zei Longo.

In principe, het scheiden van zilveratomen door femtoseconde laserstraling zou op een vergelijkbare manier moeten gebeuren, maar zou in theorie sneller moeten zijn omdat een femtoseconde laserpuls in een zeer korte tijd maximaal vermogen kan leveren.

"Gezien de verwachte segregatiesnelheid, daarom, de morfologie van deze zilveren nanodeeltjes zou theoretisch de neiging hebben om anders te zijn onder elektronenstraal en femtoseconde laserstraling, ' zei Longo.

De praktijkresultaten kwamen exact overeen met de theorie. Wanneer onderworpen aan femtoseconde laserstraling, het oppervlak van het zilverwolframaat was bedekt met zilveren nanodeeltjesfilamenten.

"Door dit te doen, we zijn erin geslaagd om precies hetzelfde resultaat te krijgen als met elektronenstraling, het aantonen van golf-deeltjes dualiteit in de praktijk, ' zei Longo.