Mechanische ingenieurs van zowel het Department of Energy van Politecnico di Torino als de afdeling Translational Imaging van het Houston Methodist Research Institute hebben een nieuw inzicht gegeven in de verrassende watereigenschappen op nanoschaal, ook al moeten veel andere intrigerende waterkenmerken nog lang niet volledig worden onthuld. Een breed scala aan technologische toepassingen kan profiteren van deze bevindingen, van engineering tot biomedisch gebied, zoals onlangs aangetoond in een wetenschappelijk artikel gepubliceerd op Natuurcommunicatie .

Zwemmen in een honingbad. Dat is het gevoel dat een watermolecuul zou moeten "voelen" bij het naderen van een vast oppervlak binnen een nanometer (d.w.z. minder dan een tienduizendste van de haardiameter). De vermindering van de mobiliteit van water in de zeer dichte nabijheid van oppervlakken op nanoschaal is het bekende fenomeen van "nanoconfinement", en het is te wijten aan zowel elektrostatische als Van der Waals-aantrekkingskrachten die materie-interacties op die schaal beheersen.

In deze context, wetenschappers van Politecnico di Torino en Houston Methodist Research Institute hebben een verdere stap voorwaarts gezet, door een kwantitatief model en een fysische interpretatie te formuleren die het nanoopsluitingseffect in een vrij algemeen kader kan voorspellen. Vooral, geometrische en chemische kenmerken, evenals fysieke omstandigheden van diverse nanobeperkende oppervlakken (bijv. koolstof nanobuisjes, silica nanoporiën of ijzeroxide nanodeeltjes) zijn kwantitatief gerelateerd aan mobiliteitsvermindering en "onderkoelde" omstandigheden van water, namelijk de persistentie van water in vloeibare toestand bij temperaturen ver onder 0°C, wanneer dicht bij een vast oppervlak.

Dit resultaat is bereikt na twee jaar in silico (d.w.z. computergebaseerd) en in vitro (d.w.z. experimentgedreven) activiteiten door Eliodoro Chiavazzo, Matteo Fasano, Pietro Asinari (Labo voor multischaalmodellering, Department of Energy bij Politecnico di Torino) en Paolo Decuzzi (Center for the Rational Design of Multifunctional Nanoconstructs bij Houston Methodist Research Institute).

Deze studie kan binnenkort toepassingen vinden in de optimalisatie en het rationele ontwerp van een breed scala aan nieuwe technologieën, variërend van toegepaste fysica (bijv. "nanovloeistoffen", suspensies gemaakt van water en nanodeeltjes voor het verbeteren van de warmteoverdracht) naar duurzame energie (bijv. thermische opslag op basis van nano-opgesloten water in sorptiematerialen); van detectie en verwijdering van verontreinigende stoffen uit water (bijvoorbeeld moleculaire zeven) tot nanogeneeskunde.

Dit laatste is het veld waar het onderzoek inderdaad een eerste belangrijke toepassing heeft gevonden. Elk jaar, bijna zestig miljoen Magnetic Resonance Imaging (MRI) scans worden uitgevoerd, met diagnostische doeleinden. In het afgelopen decennium, MRI-technologie profiteerde van verschillende belangrijke wetenschappelijke vooruitgang, waardoor nauwkeurigere en scherpere beelden van pathologische weefsels mogelijk waren. Onder meer, contrastmiddelen (d.w.z. stoffen die worden gebruikt om het contrast van structuren of vloeistoffen in het lichaam te verbeteren) hebben in belangrijke mate bijgedragen aan het verbeteren van de MRI-prestaties.

Deze onderzoeksactiviteit heeft de toename van MRI-prestaties door nanoconfined contrastmiddelen kunnen verklaren en voorspellen, die momenteel in ontwikkeling zijn bij het Houston Methodist Research Institute. Vandaar, de ontdekking maakt de weg vrij om de kwaliteit van MRI-beelden verder te verhogen, om de kans op een eerdere en nauwkeurigere detectie van ziekten bij miljoenen patiënten mogelijk te vergroten, elk jaar.

Aanvullende resultaten en toepassingen van het nano-opsluitingseffect op nanogeneeskunde zullen binnenkort worden gepubliceerd, dankzij een multidisciplinaire samenwerking tussen biomedische (Houston Methodist), engineering (Politecnico di Torino) en chemie (Rice University, Houston-TX) onderzoeksgroepen. Vooral, ijzeroxide contrastmiddelen geladen in silicium of polymere nanovectoren worden momenteel onderzocht, omdat ze eerst magnetisch kunnen worden geconcentreerd in menselijke zieke weefsels en vervolgens kunnen worden gebruikt voor het verbeteren van MRI-prestaties. Bovendien, zo'n nanoconstruct heeft zijn eigen theranostische eigenschappen, wat betekent dat ze tegelijkertijd kunnen worden gebruikt voor diagnostische (d.w.z. MRI) en therapeutische (d.w.z. door temperatuur veroorzaakte geneesmiddelafgifte of hyperthermiebehandelingen), wat een belangrijke stap voorwaarts is in de strijd tegen kanker.