Tegenwoordig, fijn verdeelde nanodeeltjes in suspensies worden in veel gebieden gebruikt, bijvoorbeeld in cosmetische producten, in industriële katalysatoren, of in contrastmiddelen voor medische onderzoeken. Voor de eerste keer, een onderzoeksteam van de Universiteit van Bayreuth is erin geslaagd om de onderlinge relaties van magnetische nanodeeltjes met de vloeistof eromheen nauwkeurig te bepalen, zelfs tot op atomair niveau. Zoals het blijkt, het is vooral een kwestie van de kristallijne structuur van het nanodeeltje hoe watermoleculen in hun directe omgeving zich opnieuw uitlijnen. De wetenschappers hebben hun bevindingen gepresenteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Op basis van theoretische en experimentele studies, de onderzoeksgemeenschap had lang aangenomen dat de moleculen van een vloeistof zich rond een vast nanodeeltje als een schil groeperen. Binnen deze zogenaamde solvatatieschillen - in het geval van wateroplossingen worden ze ook wel hydratatieschillen genoemd - zijn drie tot vijf lagen te onderscheiden, overeenkomend met de rangschikking van de vloeibare moleculen. Maar tot nu toe, alleen informatie over het aantal en de grootte van deze lagen was toegankelijk.

Bijgevolg, het team van wetenschappers dat samenwerkt met Bayreuth's junior professor Mirijam Zobel, nam in een reeks experimenten de atomaire en moleculaire structuren van deze lagen onder de loep. Hiertoe, röntgenmetingen met hoge energie werden uitgevoerd met behulp van de Diamond Lightsource, een elektronensynchrotron in Groot-Brittannië. Het onderzoek concentreerde zich op magnetische nanodeeltjes, tegenwoordig veel gebruikt in de biogeneeskunde, vooral bij gerichte medicijnafgifte, en in magnetische resonantie beeldvorming. Daarbij, de onderzoekers ontdekten dat zelfs de afstanden tussen de atomen van de watermoleculen die een nanodeeltje omringen, nauwkeurig kunnen worden gemeten. Op deze manier, eindelijk werd duidelijk hoe watermoleculen zich aan het nanodeeltje hechten:in sommige gevallen door middel van dissociatieve bindingen, in andere gevallen via moleculaire adsorptie.

"Het was verrassend voor ons dat water in de buurt van kleine magnetische ijzeroxide-nanodeeltjes zich op macroscopisch niveau net zo rangschikte als op vlakke ijzeroxide-oppervlakken. We konden bewijzen dat de manier waarop vloeibare moleculen zich rangschikken in de buurt van een nanodeeltje hangt voornamelijk af van de kristallijne structuur van het nanodeeltje. de kleine organische moleculen op het oppervlak van nanodeeltjes hebben geen directe invloed op de rangschikking van de vloeibare moleculen, " legt projectleider Mirijam Zobel uit.

"Dit zijn belangrijke inzichten voor verder onderzoek en de toepassingen ervan. Omdat deze organische moleculen, waarmee de nanodeeltjes worden gestabiliseerd, dienen als ankerpunten wanneer, in biomedische toepassingen, de nanodeeltjes worden geladen, met anti-lichamen, bijvoorbeeld. Vandaar dat voor de afgifte van dergelijke geneeskrachtige middelen, het is van cruciaal belang om de invloed van deze moleculen op de kenmerken en het gedrag van de nanodeeltjes in detail te begrijpen, " Bayreuth PhD-student Sabrina Thomä M.Sc. legt uit, hoofdauteur van de studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Junior professor Mirijam Zobel vervolgt:"De studie van solvatatieschillen rond nanodeeltjes heeft zich inmiddels over de hele wereld als een vak apart gevestigd. We zijn ervan overtuigd dat de methode die we hebben ontwikkeld, die we hebben ingezet in de nieuwe studie, kan meer algemeen worden gebruikt. Inderdaad, in de toekomst zullen we veel meer opwindende inzichten in de solvatatiewetenschap kunnen krijgen, bijvoorbeeld op het gebied van katalysatoren en nucleatie."

Om de structuren van de vloeibare moleculen in solvatatieschillen te bepalen, het onderzoeksteam rond Prof. Dr. Mirijam Zobel maakte gebruik van een op röntgenstraling gebaseerde onderzoeksmethode die wordt aangeduid als Pair Distribution Function (PDF). Een krachtige röntgendiffractometer, die is ingesteld om het gebruik van deze methode die zo belangrijk is voor de nanowetenschappen te bevorderen, werd onlangs geïnstalleerd op de Campus van de Universiteit van Bayreuth.