Formation mechanism and optical/magnetic properties of high-entropy (FeCuMn)(WMo)O₄₋ₓSₓ nanosheets synthesized via hydrothermal method

Die Krebsbehandlung beruht oft auf einem schwierigen Kompromiss: Die Werkzeuge, die in der Lage sind, einen Tumor tief im Körper zu sehen, sind oft zu schwach, um ihn zu zerstören, während die Werkzeuge, die stark genug sind, um ihn zu vernichten, schwer präzise zu steuern sind. Wissenschaftler suchen seit langem nach einem einzigen Material, das beides leisten kann: Licht zu absorbieren, um Wärme zu erzeugen, die Krebszellen tötet, und gleichzeitig als Signalgeber für die Magnetresonanztomographie zu fungieren, die leistungsstarke Scantechnologie, die verwendet wird, um in den menschlichen Körper hineinzusehen. Die meisten Materialien, die gut in einer Aufgabe sind, sind schlecht in der anderen, oder sie versagen in den tieferen Gewebeschichten, in denen Tumore oft verborgen liegen. Um dies zu lösen, wenden sich Forscher an eine neue Klasse von Substanzen, die als Hochentropie-Materialien bezeichnet werden. Dies sind keine einfachen Verbindungen aus nur zwei oder drei Elementen, sondern komplexe Mischungen, die aus fünf oder mehr verschiedenen Metallen bestehen, die in einer einzigen, stabilen Struktur miteinander verwoben sind. Diese einzigartige Anordnung ermöglicht es ihnen, eine Kombination von Eigenschaften zu besitzen, die einfachere Materialien nicht erreichen können, was potenziell einen neuen Weg bietet, Krankheiten ohne invasive Chirurgie zu behandeln.

In einer kürzlich durchgeführten Studie hat ein Forscher unter der Leitung von Huawei Huang bei Chengdu Zhongke Weishi Instrument Co., Ltd. ein neues Material entwickelt, das diese Lücke erfolgreich schließt. Sie entwickelten eine dünne, blattähnliche Substanz, die aus einer Hochentropie-Mischung aus Eisen, Kupfer, Mangan, Wolfram und Molybdän kombiniert mit Sauerstoff und Schwefel besteht. Der Forscher synthetisierte diese Nanoschichten mittels einer Hydrothermalmethode, einem Prozess, bei dem eine chemische Mischung in Wasser unter hohem Druck erhitzt wird, ähnlich wie ein Schnellkochtopf, aber bei viel höheren Temperaturen. Durch die sorgfältige Kontrolle der Hitze und der Zeit, in der die Mischung „gekocht“ wurde, war der Forscher in der Lage, diese fünf verschiedenen Metalle perfekt zu einer einzigen, gleichmäßigen Kristallstruktur zu mischen und so die natürliche Tendenz dieser Elemente zu überwinden, sich zu trennen oder Verunreinigungen zu bilden.

Die Ergebnisse dieser Synthese waren beeindruckend. Die resultierenden Nanoschichten zeigten die ungewöhnliche Fähigkeit, Licht über einen weiten Bereich von Wellenlängen zu absorbieren, von sichtbarem Licht bis hin zum Nahinfrarot-Spektrum. Dies ist signifikant, da Nahinfrarotlicht tiefer in das menschliche Gewebe eindringen kann als sichtbares Licht und somit Tumore erreicht, die unter der Haut verborgen sind. Das Material absorbierte das Licht so effektiv, dass die Temperatur der Flüssigkeit um 38 Grad Celsius stieg, nachdem der Forscher einen Laser auf eine Probe der Nanoschichten gerichtet hatte, und das in nur fünf Minuten. Diese schnelle Erwärmung demonstriert das Potenzial des Materials für die photothermische Therapie, bei der Licht in Wärme umgewandelt wird, um Krebszellen zu erhitzen und zu zerstören. Das Material arbeitete in zwei verschiedenen infraroten Fenstern, die in der Medizin verwendet werden, gut, was darauf hindeutet, dass es bei der Behandlung tief liegender Tumore effektiv sein könnte.

Über die Fähigkeit zur Wärmeerzeugung hinaus erwies sich das Material auch als exzellentes Agens für die Magnetresonanztomographie. Wenn es in ein Magnetfeld gebracht wurde, zeigten die Nanoschichten starke magnetische Eigenschaften und verhielten sich wie ein Weichmagnet, der leicht ein- und ausgeschaltet werden konnte. Diese Eigenschaft ist entscheidend für die medizinische Bildgebung, da sie es ermöglicht, den Kontrast von MRT-Scans zu verstärken und Tumore deutlich vom gesunden Gewebe abzuheben. Die Studie fand heraus, dass das Material als duales Kontrastmittel fungierte, was bedeutet, dass es beide Arten von MRT-Signalen verbessern konnte, die Ärzte zur Diagnose von Krankheiten verwenden. Diese duale Fähigkeit ergibt sich aus der spezifischen Mischung der Metalle innerhalb der Schicht: Mangan- und Eisenionen, die gleichmäßig in der Struktur verteilt sind, arbeiten zusammen, um eine starke magnetische Reaktion zu erzeugen.

Der Forscher entdeckte auch, dass der Erfolg dieses Materials vollständig von der während seiner Herstellung verwendeten Temperatur abhing. Als sie die Mischung auf 140 Grad Celsius erhitzten, vermischten sich die Metalle nicht richtig, was zu einer ungeordneten Kombination verschiedener Verbindungen führte, denen die gewünschten Eigenschaften fehlten. Als sie jedoch die Temperatur auf 200 Grad Celsius erhöhten, ordneten sich die Atome zu einer perfekten, einphasigen festen Lösung neu an. Bei dieser höheren Temperatur war die Energie ausreichend, um die natürlichen Barrieren zu überwinden, die diese Metalle normalerweise voneinander trennen, sodass sie eine stabile, homogene Schicht bilden konnten. Dieser Befund unterstreicht die entscheidende Rolle der Hitze bei der Entwicklung dieser komplexen Materialien und beweist, dass die richtigen Bedingungen ein Maß an Gleichmäßigkeit freisetzen können, das bei niedrigeren Temperaturen unmöglich zu erreichen ist.

Das Endprodukt ist eine vielseitige Plattform, die die Fähigkeit vereint, einen Tumor zu sehen und ihn zu behandeln. Die Nanoschichten sind klein genug, um durch den Blutkreislauf zu reisen und sich im Tumorgewebe anzusammeln, wo sie durch einen Laser aktiviert werden können, um Wärme zu erzeugen, während sie gleichzeitig Ärzten ein klares Bild zur Überwachung des Prozesses liefern. Die Studie bestätigt, dass dieser Hochentropie-Ansatz ein Material schafft, das einen breiten Absorptionsbereich, effiziente Wärmeerzeugung und starke magnetische Eigenschaften in einem Paket vereint. Durch die Demonstration, dass diese fünf verschiedenen Metalle zu einer einzigen, funktionellen Nanoschicht verschmolzen werden können, eröffnet die Forschung einen neuen Weg für die Entwicklung fortschrittlicher Werkzeuge, die Krebs effektiver diagnostizieren und behandeln können, als es derzeitige Methoden erlauben.