Se ha abierto un nuevo capítulo en nuestra comprensión de la actividad química de las nanopartículas, dice un equipo de científicos internacionales. Utilizando los haces de rayos X del sincrotrón europeo ESRF, demostraron que los electrones absorbidos y liberados por las nanopartículas de dióxido de cerio durante las reacciones químicas se comportan de una manera completamente diferente de lo que se pensaba anteriormente:los electrones no están unidos a átomos individuales, pero, como una nube, distribuirse por toda la nanopartícula. Inspirado por la similitud de su forma, los científicos llaman a esta distribución espacial de partículas una "esponja de electrones". Los resultados fueron publicados el 12 de noviembre en la revista ACS Nano .

El equipo de científicos estuvo dirigido por Pieter Glatzel de The European Synchrotron (ESRF) en Grenoble (Francia) y Victor Puntes de la Universitá Autònoma de Barcelona, Instituto Catalán de Nanotecnologías (España). El primer autor es Jean-Daniel Cafun de la ESRF.

Hoy dia, Las nanopartículas de dióxido de cerio se utilizan ampliamente en procesos industriales y también en productos de consumo. Están presentes por ejemplo, en las paredes de los hornos autolimpiantes y actúa como catalizador de hidrocarburos durante el proceso de limpieza a alta temperatura. También son un buen candidato para la próxima generación de baterías de iones de litio que exhibirán voltajes más altos y una mayor capacidad de almacenamiento en comparación con las celdas de energía actuales.

El elemento Cerio es abundante en la corteza terrestre y se puede extraer y purificar fácilmente. Sin embargo, sin un conocimiento profundo de los procesos químicos que ocurren en la superficie de las nanopartículas de dióxido de cerio, es imposible optimizar su uso actual y futuro. Y para abordar un problema más complejo, también es imposible evaluar los límites de su uso seguro.

La mayoría de las reacciones químicas implican la transferencia de un electrón de un átomo a otro. En el pasado, Se creía que los electrones involucrados en una reacción química en la superficie de una nanopartícula estaban localizados en uno de los átomos de la superficie. Para determinar el comportamiento de los electrones durante la reacción, los científicos utilizaron los intensos rayos X en el ESRF para sondear soluciones de nanopartículas en agua y etanol. Las nanopartículas tenían un diámetro de 3 nm y estaban formadas por varios miles de moléculas de dióxido de cerio.

Se sabe que las nanopartículas pueden cambiar su comportamiento al vacío cuando se estudian con un microscopio electrónico, por ejemplo. Por lo tanto, los científicos llevaron a cabo su experimento en condiciones realistas, estudiando las nanopartículas en solución y en tiempo real mientras se producía la reacción química. "Solo fue posible realizar estos experimentos en un líquido en lugar de al vacío porque usamos rayos X como sondas para la distribución de electrones". dice Jean Daniel Cafun.

En su experimento, los científicos lograron observar la creación de las nanopartículas en solución y luego cómo estas nanopartículas eliminaron moléculas altamente reactivas (especies reactivas de oxígeno, o ROS) de la solución. Este proceso de eliminación imita el papel de una enzima importante en los organismos vivos, la catalasa, que protege a las células de estas moléculas agresivas. Los pacientes con cáncer sometidos a radioterapia tienen altos niveles de ROS en sus cuerpos y se han propuesto nanopartículas de ceria como una forma de reducir los niveles de ROS y aliviar así los impactos negativos de la terapia en los pacientes. A lo largo de la reacción química, Se controló la estructura electrónica de los átomos de cerio y, por lo tanto, la redistribución de la nube de electrones. "Es fundamental poder estudiar los procesos químicos de las partículas en un entorno cercano a las condiciones que se encuentran en los sistemas biológicos". enfatiza Víctor Puntes.

"Los científicos han estado discutiendo la pregunta:¿Qué sucede cuando se agregan electrones a las nanopartículas de ceria? El trabajo de Cafun et al. Es un estudio clave porque cuestiona el presente, modelo ampliamente aceptado y conducirá la investigación en una nueva dirección ", dice Frank de Groot, un experto en nanomateriales de la Universidad de Utrecht que no participó en el experimento.

El siguiente paso, que ya ha sido iniciado, será evaluar si los electrones no localizados son una propiedad del dióxido de cerio únicamente o también de otras nanopartículas ampliamente utilizadas como el dióxido de titanio. "En paralelo, 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.