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

Le traitement du cancer repose souvent sur un compromis difficile : les outils capables de voir une tumeur profondément à l'intérieur du corps sont souvent trop faibles pour la détruire, tandis que les outils assez puissants pour la détruire sont difficiles à guider avec précision. Les scientifiques recherchent depuis longtemps un matériau unique capable de faire les deux : absorber la lumière pour générer de la chaleur qui tue les cellules cancéreuses et servir simultanément de balise pour l'imagerie par résonance magnétique, la puissante technologie de balayage utilisée pour voir à l'intérieur du corps humain. La plupart des matériaux qui excellent dans une tâche sont médiocres dans l'autre, ou ne parviennent pas à fonctionner dans les couches profondes des tissus où les tumeurs se cachent souvent. Pour résoudre ce problème, les chercheurs se tournent vers une nouvelle classe de substances appelées matériaux à haute entropie. Il ne s'agit pas de composés simples composés de seulement deux ou trois éléments, mais de mélanges complexes contenant cinq métaux ou plus, verrouillés ensemble dans une structure unique et stable. Cet arrangement unique leur permet de posséder une combinaison de propriétés que les matériaux plus simples ne peuvent atteindre, offrant potentiellement une nouvelle façon de traiter les maladies sans chirurgie invasive.

Dans une étude récente, un chercheur dirigé par Huawei Huang de Chengdu Zhongke Weishi Instrument Co., Ltd. a créé un nouveau matériau qui comble avec succès ce fossé. Ils ont développé une substance fine, sous forme de feuillet, composée d'un mélange à haute entropie de fer, de cuivre, de manganèse, de tungstène et de molybdène, combinés à de l'oxygène et du soufre. Le chercheur a synthétisé ces nanofeuillets par une méthode hydrothermale, un processus qui consiste à chauffer un mélange de produits chimiques dans l'eau sous haute pression, de manière similaire à la façon dont fonctionne un autocuiseur, mais à des températures beaucoup plus élevées. En contrôlant soigneusement la chaleur et le temps de cuisson du mélange, le chercheur a été capable de forcer ces cinq métaux différents à se mélanger parfaitement en une structure cristalline unique et uniforme, surmontant la tendance naturelle de ces éléments à se séparer ou à former des impuretés.

Les résultats de cette synthèse ont été frappants. Les nanofeuillets résultants ont affiché une capacité inhabituelle à absorber la lumière sur une vaste gamme de longueurs d'onde, allant de la lumière visible jusqu'au spectre du proche infrarouge. Cela est significatif car la lumière proche infrarouge peut pénétrer plus profondément dans les tissus humains que la lumière visible, atteignant les tumeurs qui sont cachées sous la peau. Le matériau absorbait la lumière si efficacement que lorsque le chercheur a projeté un laser sur un échantillon de nanofeuillets, la température du liquide a augmenté de 38 degrés Celsius en seulement cinq minutes. Ce chauffage rapide démontre le potentiel du matériau pour la thérapie photothermique, où la lumière est convertie en chaleur pour cuire et détruire les cellules cancéreuses. Le matériau a performé dans deux fenêtres infrarouges différentes utilisées en médecine, suggérant qu'il pourrait être efficace pour traiter les tumeurs situées en profondeur.

Au-delà de sa capacité à générer de la chaleur, le matériau s'est également révélé être un excellent agent pour l'imagerie par résonance magnétique. Lorsqu'il est placé dans un champ magnétique, les nanofeuillets ont montré de fortes propriétés magnétiques, se comportant comme un aimant doux qui peut être facilement activé et désactivé. Cette caractéristique est cruciale pour l'imagerie médicale, car elle permet au matériau d'améliorer le contraste des scanners IRM, faisant ressortir les tumeurs nettement par rapport aux tissus sains. L'étude a révélé que le matériau fonctionnait comme un agent de contraste à double mode, ce qui signifie qu'il pouvait améliorer les deux types de signaux IRM utilisés par les médecins pour diagnostiquer la maladie. Cette double capacité découle du mélange spécifique de métaux à l'intérieur du feuillet : les ions manganèse et fer, qui sont répartis uniformément dans la structure, travaillent ensemble pour créer une réponse magnétique forte.

Le chercheur a également découvert que le succès de ce matériau dépendait entièrement de la température utilisée lors de sa création. Lorsqu'ils ont chauffé le mélange à 140 degrés Celsius, les métaux ne se sont pas mélangés correctement, entraînant une combinaison désordonnée de différents composés qui manquaient des propriétés souhaitées. Cependant, lorsqu'ils ont augmenté la température à 200 degrés Celsius, les atomes se sont réorganisés en une solution solide parfaite à phase unique. À cette température plus élevée, l'énergie était suffisante pour surmonter les barrières naturelles qui maintiennent habituellement ces métaux séparés, leur permettant de former un feuillet stable et homogène. Cette découverte souligne le rôle critique de la chaleur dans l'ingénierie de ces matériaux complexes, prouvant que les bonnes conditions peuvent débloquer un niveau d'uniformité impossible à atteindre à des températures plus basses.

Le produit final est une plateforme polyvalente qui combine la capacité de voir une tumeur et la capacité de la traiter. Les nanofeuillets sont assez petits pour voyager à travers la circulation sanguine et s'accumuler dans le tissu tumoral, où ils peuvent être activés par un laser pour générer de la chaleur tout en fournissant une image claire aux médecins pour surveiller le processus. L'étude confirme que cette approche à haute entropie crée un matériau doté d'une large plage d'absorption, d'une génération de chaleur efficace et de fortes propriétés magnétiques, le tout en un seul paquet. En démontrant que ces cinq métaux distincts peuvent être fusionnés en un seul nanofeuillet fonctionnel, la recherche ouvre une nouvelle voie pour le développement d'outils avancés capables de diagnostiquer et de traiter le cancer plus efficacement que les méthodes actuelles le permettent.