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

De behandeling van kanker rust vaak op een moeilijke afweging: de instrumenten die een tumor diep in het lichaam kunnen zien, zijn vaak te zwak om deze te vernietigen, terwijl de instrumenten die krachtig genoeg zijn om deze te vernietigen, moeilijk nauwkeurig te sturen zijn. Wetenschappers zoeken al lang naar een enkel materiaal dat beide kan doen: licht absorberen om warmte te genereren die kankercellen doodt en tegelijkertijd fungeren als een baken voor magnetische resonantie-imaging, de krachtige scantechnologie die wordt gebruikt om in het menselijk lichaam te kijken. De meeste materialen die goed zijn in één taak, zijn slecht in de andere, of ze werken niet in de diepere weefsellagen waar tumoren vaak verborgen liggen. Om dit op te lossen, richten onderzoekers zich op een nieuwe klasse stoffen genaamd high-entropy materialen. Dit zijn geen eenvoudige verbindingen gemaakt van slechts twee of drie elementen, maar complexe mengsels die vijf of meer verschillende metalen bevatten die samen in een enkele, stabiele structuur zijn vergrendeld. Deze unieke arrangement stelt hen in staat om een combinatie van eigenschappen te bezitten die eenvoudigere materialen niet kunnen bereiken, wat potentieel een nieuwe manier biedt om ziekten te behandelen zonder invasieve chirurgie.

In een recente studie heeft een onderzoeker onder leiding van Huawei Huang van Chengdu Zhongke Weishi Instrument Co., Ltd. een nieuw materiaal gecreëerd dat deze kloof succesvol overbrugt. Ze ontwikkelden een dunne, plaatvormige substantie gemaakt van een high-entropy mengsel van ijzer, koper, mangaan, wolfraam en molybdeen, gecombineerd met zuurstof en zwavel. De onderzoeker synthetiseerde deze nanosheets met behulp van een hydrothermische methode, een proces waarbij een mengsel van chemicaliën in water onder hoge druk wordt verhit, vergelijkbaar met hoe een snelkookpan werkt maar dan bij veel hogere temperaturen. Door de hitte en de tijd dat het mengsel werd gekookt zorgvuldig te controleren, was de onderzoeker in staat om deze vijf verschillende metalen perfect te laten mengen in een enkele, uniforme kristalstructuur, waarbij de natuurlijke neiging van deze elementen om te scheiden of onzuiverheden te vormen, werd overwonnen.

De resultaten van deze synthese waren opmerkelijk. De resulterende nanosheets vertoonden een ongewone bekwaamheid om licht te absorberen over een breed scala aan golflengten, van zichtbaar licht tot in het nabij-infrarode spectrum. Dit is significant omdat nabij-infrarood licht dieper in het menselijk weefsel kan doordringen dan zichtbaar licht, waardoor tumoren die onder de huid verborgen liggen, kunnen bereiken. Het materiaal absorbeerde licht zo effectief dat toen de onderzoeker een laser op een monster van de nanosheets richtte, de temperatuur van de vloeistof in slechts vijf minuten met 38 graden Celsius steeg. Deze snelle verhitting demonstreert het potentieel van het materiaal voor fotothermische therapie, waarbij licht wordt omgezet in warmte om kankercellen te verhitten en te vernietigen. Het materiaal presteerde goed in twee verschillende infraroodvensters die in de geneeskunde worden gebruikt, wat suggereert dat het effectief kan zijn voor de behandeling van diepliggende tumoren.

Naast het vermogen om warmte te genereren, bleek het materiaal ook een uitstekend agens voor magnetische resonantie-imaging. Wanneer de nanosheets in een magnetisch veld werden geplaatst, vertoonden ze sterke magnetische eigenschappen, waarbij ze zich gedroegen als een zacht magnet dat gemakkelijk aan- en uitgeschakeld kon worden. Deze eigenschap is cruciaal voor medische beeldvorming, omdat het de stof in staat stelt het contrast van MRI-scans te verbeteren, waardoor tumoren duidelijk afsteken tegen gezond weefsel. De studie vond dat het materiaal werkte als een dual-mode contrastmiddel, wat betekent dat het beide typen MRI-signalen kon verbeteren die artsen gebruiken om ziekten te diagnosticeren. Deze dubbele capaciteit komt voort uit de specifieke mix van metalen in de plaat: mangaan- en ijzerionen, die gelijkmatig door de structuur zijn verdeeld, werken samen om een sterke magnetische respons te creëren.

De onderzoeker ontdekte ook dat het succes van dit materiaal volledig afhing van de temperatuur die tijdens de creatie ervan werd gebruikt. Wanneer zij het mengsel verhitten tot 140 graden Celsius, mengden de metalen zich niet goed, wat resulteerde in een rommelige combinatie van verschillende verbindingen die de gewenste eigenschappen misten. Echter, wanneer zij de temperatuur verhoogden naar 200 graden Celsius, herschikten de atomen zichzelf in een perfecte, enkelvoudige fase vaste oplossing. Bij deze hogere temperatuur was de energie voldoende om de natuurlijke barrières te overwinnen die deze metalen gewoonlijk uit elkaar houden, waardoor ze een stabiele, homogene plaat konden vormen. Deze bevinding benadrukt de cruciale rol van hitte bij het technisch vormgeven van deze complexe materialen, en bewijst dat de juiste condities een niveau van uniformiteit kunnen ontsluiten die onmogelijk te bereiken is bij lagere temperaturen.

Het eindproduct is een veelzijdig platform dat de mogelijkheid combineert om een tumor te zien met de mogelijkheid om deze te behandelen. De nanosheets zijn klein genoeg om door de bloedbaan te reizen en zich te verzamelen in tumorweefsel, waar ze geactiveerd kunnen worden door een laser om warmte te genereren, terwijl ze tegelijkertijd een duidelijk beeld bieden voor artsen om het proces te monitoren. De studie bevestigt dat deze high-entropy benadering een materiaal creëert met een breed absorptiebereik, efficiënte warmtegeneratie en sterke magnetische eigenschappen, allemaal in één pakket. Door aan te tonen dat deze vijf verschillende metalen kunnen worden versmolten tot een enkele, functionele nanosheet, opent het onderzoek een nieuwe weg voor de ontwikkeling van geavanceerde instrumenten die kanker effectiever kunnen diagnosticeren en behandelen dan de huidige methoden toelaten.