Nanokristallijn zinkoxide (ZnO) is momenteel een van de meest gebruikte halfgeleidermetaaloxide-nanomaterialen vanwege zijn unieke katalytische en elektro-optische eigenschappen. De inherente en onderscheidende fysisch-chemische eigenschappen van ZnO-nanostructuren zijn afhankelijk van een verscheidenheid aan factoren die worden bepaald door de toegepaste synthetische procedure en het karakter van het resulterende nanokristal-ligand-interface. Dus, de bereiding van stabiele ZnO-nanostructuren, vooral nanodeeltjes met afmetingen kleiner dan 10 nm, d.w.z. kwantumdots (QD's), met gewenste fysisch-chemische eigenschappen blijft voor chemici nog een enorme uitdaging.

Onlangs, wetenschappers van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen (IPC PAS) en de Technische Universiteit van Warschau (WUT) in samenwerking met het Interdisciplinair Onderzoeksinstituut van Grenoble (IRIG) gebruikten dynamische nucleaire polarisatie (DNP) versterkte vaste-stof kernmagnetische resonantie (NMR) spectroscopie voor gedetailleerde karakterisering van de organisch-anorganische interfaces van ZnO QD's bereid door het traditionele sol-gel proces en de recent ontwikkelde eenpots zelfdragende organometallische (OSSOM) procedure. parallel, er werden onderzoeken uitgevoerd naar het ontwerp en de voorbereiding van biostabiele ZnO QD's, samen met de bepaling van hun structuur-biologische activiteitsrelatie. Deze onderzoeken zijn gepubliceerd in de high-impact tijdschriften Angewandte Chemie en Wetenschappelijke rapporten .

"We wilden ondubbelzinnig bevestigen dat ZnO QD's die in ons laboratorium zijn bereid met behulp van de OSSOM-aanpak van ongekend hoge kwaliteit zijn, " vertelt co-auteur van beide artikelen, Dr. Magorzata Wolska-Pietkiewicz. "Tot nu toe, ZnO QD's zijn gewoonlijk geproduceerd door een sol-gel-proces. Echter, het grootste nadeel van deze traditionele methode is de lage reproduceerbaarheid, wat waarschijnlijk zowel de uniformiteit van de deeltjesmorfologie als de samenstelling van de organische ligandschil remt. Bijgevolg, de resulterende nanostructuren zijn in wezen onstabiel en hebben de neiging om te aggregeren. Naar mijn mening, dit heeft de potentiële toepassingen van nanokristallijn ZnO in verschillende technologieën aanzienlijk beperkt, " voegt dr. Wolska-Pietkiewicz toe.

"Een alternatief voor de alomtegenwoordige sol-gel-methode zijn veelbelovende nat-organometallische benaderingen. Onlangs ontwikkeld in ons laboratorium, de OSSOM-procedure is gebaseerd op de gecontroleerde blootstelling van een goed gedefinieerde organozinkprecursor aan lucht. Het OSSOM-proces wordt thermodynamisch gecontroleerd en vindt plaats bij kamertemperatuur, ", zegt professor Janusz Lewinski. Om de superioriteit van de organometallische benadering voor de bereiding van ZnO QD's te benadrukken, zowel de procedure-gedreven eigenschappen als de structuren van de organische ligand-omhulsels van QD's bereid door zowel de OSSOM-benadering als de sol-gel-procedure werden vergeleken. Hiervoor pasten wetenschappers de DNP-NMR-methode toe die in de groep van Dr. Gaël De Paëpe (IRIG) wordt ontwikkeld.

"Deze NMR-techniek stelt ons in staat om de interfaces van nanomaterialen met atomaire precisie te bestuderen en zo het verschil tussen geteste materialen aan te tonen, " vervolgt Dr. Daniel Lee en voegt eraan toe dat het vermogen om de exacte aard en structuur van de interface te bepalen een waardevol inzicht geeft in toekomstige ontwerpen voor nieuwe en volledig stabiele functionele nanomaterialen. DNP-NMR-metingen zijn relatief snel en nemen slechts enkele uren in beslag. Dit is echt niet veel, vooral vergeleken met conventionele NMR-spectroscopie, wat (bij metingen met vergelijkbare resolutie) ongeveer een jaar zou duren.

"The OSSOM method leads to the formation of ZnO QDs coated with strongly anchored and highly-ordered organic coatings. Contrastingly, on the surface of sol-gel derived ZnO nanostructures, coating ligand molecules are randomly distributed, " Dr. Wolska-Pietkiewicz points out. What is more, ligands could be easily removed from the surface of QDs derived from sol-gel process, changing the properties of the resulting nanomaterial. "In our method, the surface is super-protected, and QDs are stable. Als resultaat, the OSSOM approach affords high-quality ZnO QDs with unique physicochemical properties, which are prospective for biological applications, " adds Dr. Wolska-Pietkiewicz.

Why is it so important?

"This preliminary study has only just scratched the surface (pun intended) of what can be achieved, " says Dr. Lee. "We have shown that being able to study nanomaterials' surface stability at an atomic scale enables the understanding of how to provide their stability, which is extremely important from the point of view of subsequent applications:from sensors and optical devices to targeted drug delivery and nanomedicines."

"In de nabije toekomst, we could design, bijvoorbeeld, safe and effective drug nanocarriers for cancer therapies, in which we would be able to deposit appropriately selected, active molecules within our ordered organic layer. Positioning is important especially for targeted therapies, bijv. photodynamic therapy, because it allows the drug to be released evenly in a particular environment and at the right speed. In aanvulling, owing to the achieved ligands ordering, we are able to pack a lot of active drug particles on a small carrier, " adds Professor Lewinski.