Een nieuw hoofdstuk is geopend in ons begrip van de chemische activiteit van nanodeeltjes, zegt een team van internationale wetenschappers. Met behulp van de röntgenbundels van de Europese Synchrotron ESRF toonden ze aan dat de elektronen die tijdens chemische reacties door ceriumdioxide-nanodeeltjes worden geabsorbeerd en afgegeven, zich heel anders gedragen dan eerder werd gedacht:de elektronen zijn niet gebonden aan individuele atomen, maar, als een wolk, verspreiden zich over het hele nanodeeltje. Geïnspireerd door de gelijkenis van zijn vorm, de wetenschappers noemen deze ruimtelijke verdeling van deeltjes een "elektronenspons". De resultaten zijn op 12 november gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Het team van wetenschappers werd geleid door Pieter Glatzel van The European Synchrotron (ESRF) in Grenoble (Frankrijk) en Victor Puntes van de Universitá Autònoma van Barcelona, Catalaans Instituut voor Nanotechnologieën (Spanje). De eerste auteur is Jean-Daniel Cafun van de ESRF.

Vandaag, ceriumdioxide nanodeeltjes worden veel gebruikt in industriële processen en ook in consumentenproducten. Ze zijn aanwezig, bijvoorbeeld, in de wanden van zelfreinigende ovens en fungeren als koolwaterstofkatalysator tijdens het reinigingsproces op hoge temperatuur. Ze zijn ook een populaire kandidaat voor de volgende generatie lithium-ionbatterijen die hogere spanningen en een grotere opslagcapaciteit zullen vertonen in vergelijking met de huidige energiecellen.

Het element Cerium is overvloedig aanwezig in de aardkorst en kan gemakkelijk worden gewonnen en gezuiverd. Echter, zonder een grondig begrip van de chemische processen die plaatsvinden op het oppervlak van ceriumdioxide-nanodeeltjes, het is onmogelijk om het huidige en toekomstige gebruik ervan te optimaliseren. En om een ​​complexere kwestie aan te pakken, het is ook onmogelijk om de grenzen van hun veilig gebruik te beoordelen.

De meeste chemische reacties omvatten de overdracht van een elektron van het ene atoom naar het andere. Vroeger, men geloofde dat de elektronen die betrokken zijn bij een chemische reactie op het oppervlak van een nanodeeltje gelokaliseerd waren in een van de atomen aan het oppervlak. Om het gedrag van de elektronen tijdens de reactie te bepalen, de wetenschappers gebruikten de intense röntgenstralen bij de ESRF om oplossingen van nanodeeltjes in water en ethanol te onderzoeken. De nanodeeltjes hadden een diameter van 3 nm en bestonden uit enkele duizenden moleculen ceriumdioxide.

Het is bekend dat nanodeeltjes hun gedrag onder vacuüm kunnen veranderen wanneer ze worden bestudeerd met een elektronenmicroscoop, bijvoorbeeld. De wetenschappers voerden daarom hun experiment uit onder realistische omstandigheden, het bestuderen van de nanodeeltjes in oplossing en in realtime terwijl de chemische reactie plaatsvond. "Het was alleen mogelijk om deze experimenten in een vloeistof uit te voeren in plaats van onder vacuüm omdat we röntgenstralen gebruikten als sondes voor de elektronenverdeling." zegt Jean Daniel Cafun.

In hun experiment hebben de wetenschappers waren succesvol in het observeren van de vorming van de nanodeeltjes in oplossing en vervolgens hoe deze nanodeeltjes zeer reactieve moleculen elimineerden (reactieve zuurstofsoorten, of ROS) uit de oplossing. Dit eliminatieproces bootst de rol na van een belangrijk enzym in levende organismen - catalase - dat cellen beschermt tegen deze agressieve moleculen. Kankerpatiënten die bestralingstherapie ondergaan, hebben hoge niveaus van ROS in hun lichaam en ceria-nanodeeltjes zijn voorgesteld als een manier om de niveaus van ROS te verminderen en zo de negatieve effecten van de therapie op de patiënten te verlichten. Tijdens de chemische reactie, de elektronische structuur van de ceriumatomen en daarmee de herverdeling van de elektronenwolk werd gevolgd. "Het is cruciaal om de chemische processen van de deeltjes te kunnen bestuderen in een omgeving die dicht bij de omstandigheden in biologische systemen ligt." benadrukt Victor Puntes.

"Wetenschappers hebben de vraag besproken:wat gebeurt er als elektronen worden toegevoegd aan ceria-nanodeeltjes? Het werk van Cafun et al. is een belangrijke studie omdat het het heden in vraag stelt, algemeen geaccepteerd model en zal het onderzoek in een nieuwe richting leiden", zegt Frank de Groot, een expert op het gebied van nanomaterialen van de Universiteit Utrecht die niet meedeed aan het experiment.

De volgende stap, die al is gestart, zal zijn om te beoordelen of niet-gelokaliseerde elektronen een eigenschap zijn van alleen ceriumdioxide of ook van andere veelgebruikte nanodeeltjes zoals titaniumdioxide. "Parallel, 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.