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

Il trattamento del cancro si basa spesso su un difficile compromesso: gli strumenti in grado di vedere un tumore in profondità nel corpo sono spesso troppo deboli per distruggerlo, mentre gli strumenti abbastanza potenti da distruggerlo sono difficili da guidare con precisione. Gli scienziati cercano da tempo un singolo materiale che possa fare entrambe le cose: assorbire la luce per generare calore che uccida le cellule cancerose e, contemporaneamente, fungere da segnale per la risonanza magnetica, la potente tecnologia di scansione utilizzata per vedere all'interno del corpo umano. La maggior parte dei materiali che sono bravi in un compito sono scarsi nell'altro, oppure non riescono a funzionare negli strati più profondi dei tessuti dove spesso si nascondono i tumori. Per risolvere questo problema, i ricercatori si stanno rivolgendo a una nuova classe di sostanze chiamate materiali ad alta entropia. Questi non sono semplici composti fatti di soli due o tre elementi, ma miscele complesse contenenti cinque o più metalli diversi bloccati insieme in una singola struttura stabile. Questa disposizione unica permette loro di possedere una combinazione di proprietà che i materiali più semplici non possono raggiungere, offrendo potenzialmente un nuovo modo per trattare le malattie senza chirurgia invasiva.

In uno studio recente, un ricercatore guidato da Huawei Huang presso la Chengdu Zhongke Weishi Instrument Co., Ltd. ha creato un nuovo materiale che colma con successo questo divario. Hanno sviluppato una sostanza sottile, simile a un foglio, composta da una miscela ad alta entropia di ferro, rame, manganese, tungsteno e molibdeno, combinati con ossigeno e zolfo. Il ricercatore ha sintetizzato questi nanosheets utilizzando un metodo idrotermale, un processo che prevede il riscaldamento di una miscela di prodotti chimici in acqua sotto alta pressione, simile a come funziona una pentola a pressione ma a temperature molto più elevate. Controllando attentamente il calore e il tempo di cottura della miscela, il ricercatore è stato in grado di costringere questi cinque diversi metalli a mescolarsi perfettamente in una singola struttura cristallina uniforme, superando la naturale tendenza di questi elementi a separarsi o a formare impurità.

I risultati di questa sintesi sono stati sorprendenti. I nanosheets risultanti hanno mostrato una capacità insolita di assorbire la luce in un vasto intervallo di lunghezze d'onda, dalla luce visibile fino allo spettro del vicino infrarosso. Questo è significativo perché la luce del vicino infrarosso può penetrare più in profondità nei tessuti umani rispetto alla luce visibile, raggiungendo i tumori che si trovano nascosti sotto la pelle. Il materiale ha assorbito la luce in modo così efficace che, quando il ricercatore ha puntato un laser su un campione di nanosheets, la temperatura del liquido è salita di 38 gradi Celsius in soli cinque minuti. Questo rapido riscaldamento dimostra il potenziale del materiale per la terapia fototermica, in cui la luce viene convertita in calore per cuocere e distruggere le cellule cancerose. Il materiale ha performato bene in due diverse finestre infrarosse utilizzate in medicina, suggerendo che potrebbe essere efficace per il trattamento di tumori localizzati in profondità.

Oltre alla sua capacità di generare calore, il materiale si è dimostrato anche un eccellente agente per la risonanza magnetica. Quando posto in un campo magnetico, i nanosheets hanno mostrato forti proprietà magnetiche, comportandosi come un magnete dolce che può essere facilmente acceso e spento. Questa caratteristica è fondamentale per l'imaging medico, poiché consente al materiale di migliorare il contrasto delle scansioni MRI, facendo risaltare chiaramente i tumori rispetto ai tessuti sani. Lo studio ha scoperto che il materiale funzionava come un agente di contrasto a doppia modalità, il che significa che poteva migliorare entrambi i tipi di segnali MRI utilizzati dai medici per diagnosticare le malattie. Questa doppia capacità deriva dalla specifica miscela di metalli all'interno del foglio: gli ioni di manganese e ferro, che sono distribuiti uniformemente in tutta la struttura, lavorano insieme per creare una forte risposta magnetica.

Il ricercatore ha anche scoperto che il successo di questo materiale dipendeva interamente dalla temperatura utilizzata durante la sua creazione. Quando hanno riscaldato la miscela a 140 gradi Celsius, i metalli non si sono mescolati correttamente, dando origine a una combinazione disordinata di diversi composti che mancavano delle proprietà desiderate. Tuttavia, quando hanno aumentato la temperatura a 200 gradi Celsius, gli atomi si sono riorganizzati in una soluzione solida a fase singola perfetta. A questa temperatura più elevata, l'energia era sufficiente per superare le barriere naturali che solitamente tengono separati questi metalli, permettendo loro di formare un foglio stabile e omogeneo. Questa scoperta evidenzia il ruolo critico del calore nell'ingegnerizzazione di questi materiali complessi, provando che le condizioni giuste possono sbloccare un livello di uniformità impossibile da raggiungere a temperature inferiori.

Il prodotto finale è una piattaforma versatile che combina la capacità di vedere un tumore con la capacità di trattarlo. I nanosheets sono abbastanza piccoli da viaggiare attraverso il flusso sanguigno e accumularsi nel tessuto tumorale, dove possono essere attivati da un laser per generare calore fornendo simultaneamente un'immagine chiara ai medici per monitorare il processo. Lo studio conferma che questo approccio ad alta entropia crea un materiale con un ampio intervallo di assorbimento, una generazione di calore efficiente e forti proprietà magnetiche, tutto in un unico pacchetto. Dimostrando che questi cinque distinti metalli possono essere fusi in un singolo nanosheet funzionale, la ricerca apre una nuova strada per lo sviluppo di strumenti avanzati in grado di diagnosticare e trattare il cancro in modo più efficace rispetto ai metodi attuali.