Νέα έρευνα του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ (ΙΗΔΛ) του ΙΤΕ φιλοδοξεί να συνεισφέρει σε επαναστατικές στρατηγικές που στοχεύουν στην εξολόθρευση καρκινικών κυττάρων, με την αύξηση της θερμοκρασίας τους. Πρόσφατες έρευνες αποκάλυψαν ότι η χρήση βελτιστοποιημένων νανοκρυστάλλων (δηλαδή μικροσκοπικών σωματιδίων, χιλιάδες φορές μικρότερων από ένα κόκκο σκόνης), που εγχέονται σε καρκινικό ιστό και θερμαίνονται από εξωγενή ερεθίσματα (π.χ. κάποιο μαγνητικό πεδίο), ανοίγει τον δρόμο για νέες πρωτοποριακές θεραπείες. Ταυτόχρονα, η μέθοδος αυτή συμβάλλει αποτελεσματικά στη μείωση της τοξικότητας των αντικαρκινικών θεραπειών. Μέχρι σήμερα, για τον σκοπό αυτό, οι επιστήμονες χρησιμοποιούσαν υλικά με τέλεια δομή.

Οι Ερευνητές του ΙΗΔΛ-ΙΤΕ που διεξήγαγαν την επιστημονική μελέτη: ο Αλέξανδρος Λάππας (μέση) στον πειραματικό σταθμό μεγάλης ερευνητικής εγκατάστασης (επιταχυντής σωματιδίων για την παραγωγή φωτός, το σύγχροτρο NSLS-II), και οι Γιώργος Αντωναρόπουλος, Κωνσταντίνος Μπριντάκης, Αθανασία Κωστοπούλου (ένθετο – από πάνω προς τα κάτω).

Η νέα ερευνητική μελέτη του ΙΗΔΛ-ΙΤΕ έρχεται να προσθέσει νέα σημαντικά στοιχεία στην ανακάλυψη αυτή: όταν οι μικροσκοπικοί κρύσταλλοι αποκτήσουν τις κατάλληλες ατέλειες στη δομή τους, ρυθμίζουν τις ηλεκτρονικές τους ιδιότητες με τρόπο που ευνοεί τη μετατροπή της ενέργειάς τους σε θερμότητα. Οι χρήσιμες φυσικές ιδιότητες προκύπτουν όταν «διαταράσσεται» η ατομική δομή του κρυστάλλου, με τη δημιουργία «ατελειών», όπως π.χ. κενών θέσεων, στην άριστα οργανωμένη δομή τους. Ένα τέτοιο σύστημα νανοκρυστάλλων, κατά τη διέγερσή του από ένα εξωτερικό μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, εκλύει περισσότερη θερμική ενέργεια. Το εντυπωσιακό αυτό χαρακτηριστικό ανοίγει νέους δρόμους για έξυπνες εφαρμογές, μεταξύ άλλων, στην υγεία, την ενέργεια, τους αισθητήρες, κ.α. Η σχετική έρευνα, με τίτλο «Vacancy-driven Non-cubic Local Structure and Magnetic Anisotropy Tailoring in FexO-Fe3-δO4 Nanocrystals», δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Physical Review X.

Για την υλοποίηση αυτής της ερευνητικής αποστολής, ο Δρ. Αλέξανδρος Λάππας, Φυσικός, Διευθυντής Ερευνών στο ΙΗΔΛ-ΙΤΕ, συντόνισε ένα διεπιστημονικό δίκτυο συνεργασίας Ευρωπαϊκών και Αμερικανικών επιστημονικών ομάδων, που επέτρεψε τη συνδυαστική άντληση γνώσης, μέσω θεωρητικής-υπολογιστικής φυσικής (ΙΝΝ, Δημόκριτος, Ελλάδα), μαγνητικών μετρήσεων (CNR-SPIN& UNINA, Ιταλία), ανάλυσης νανοϋλικών (LCN, Αγγλία) και προηγμένων διαγνωστικών εργαλείων φωτονικής (CMPMSD, BNL, ΗΠΑ).

Κλειδί στην παρούσα ανακάλυψη αποτέλεσε η χρήση εξαιρετικά ισχυρής ακτινοβολίας φωτός που παράγεται κατά την επιτάχυνση σωματιδίων, στις υποδομές μεγάλων ερευνητικών εγκαταστάσεων (NSLS-II, BNL, ΗΠΑ). Το ισχυρό αυτό φως, σαν ένας εξαίρετης απεικονιστικής ικανότητας μεγεθυντικός φακός, καταγράφει τη διάταξη των ατόμων, προβάλλοντας με μοναδικό τρόπο την όποια μικρή ατέλεια και παραμόρφωση στον κρύσταλλο (Σχήμα 2). «Η μεταβολή της συμμετρίας, λόγω κενών θέσεων στο πλέγμα, τροποποιεί τη μαγνητική απόκριση του νανοκρυστάλλου προς την ευνοϊκή κατεύθυνση. Λόγω της αταξίας που προκαλείται στη δομή του, γίνεται πιο δύσκολη η συλλογική χαλάρωση των στοιχειωδών μαγνητών που τον αποτελούν. Αυτή η αξιοσημείωτη ιδιότητα επιτρέπει τη σχεδόν δεκαπλάσια έκλυση θερμικής ενέργειας, σε σχέση με άλλα νανοϋλικά που στερούνται δομικών ατελειών. Η αντίσταση που υφίστανται οι στοιχειώδεις μαγνήτες θυμίζει εκείνη ενός σώματος, που καθώς προσπαθεί να διέλθει μέσα από ένα ρευστό, επιβραδύνεται ταχύτατα όσο αυξάνει η πυκνότητa του μέσου και έτσι η κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα», εξηγεί ο Αλέξανδρος Λάππας, επικεφαλής του εργαστηρίου Κβαντικών Υλικών και Μαγνητισμού στο ΙΗΔΛ-ΙΤΕ.

Σχήμα 2.Σωματίδια φωτός (φωτόνια), όταν αλληλεπιδρούν με υλικά, είναι ικανά να προσδιορίσουν την κατανομή των ατόμων στη δομή νανοκρυστάλλωνκαι έτσι πιστοποιούν ότι η δημιουργία «ατελειών» ευνοεί την τεχνολογικά χρήσιμη μετατροπή της ενέργειάς τους σε θερμότητα κατά τη διέγερσή τους από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Η εν λόγω έρευνα αναδεικνύει ευρύτερα τη δυνατότητα ελέγχου της δομής σε ατομική κλίμακα, μέσω της ρύθμισης των ατελειών. Η οδός αυτή μπορεί να αποτελέσει παράμετρο σχεδιασμού δυνητικά πολυ-λειτουργικών νανοϋλικών, με καθορισμένες μαγνητικές ιδιότητες και σκοπό τη βελτίωση της δράσης τους ως διαγνωστικά και θεραπευτικά εργαλεία ταυτοχρόνως (π.χ. μαγνητική απεικόνιση σε θερμικά αποκρινόμενες βιοϊατρικές τεχνολογίες).

Δημοσίευση:

A. Lappas, G. Antonaropoulos, K. Brintakis, M. Vasilakaki, K.N. Trohidou, V. Iannotti, G. Ausanio, A. Kostopoulou, M. Abeykoon, I.K. Robinson, andE.S. Bozin,

“Vacancy-driven Non-cubic Local Structure and Magnetic Anisotropy Tailoring in Fe_xO-Fe_3-δO₄ Nanocrystals”, Phys. Rev. X 2019, 9, 041044.

URL: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevX.9.041044

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.041044

Πληροφορίες: Δρ. Αλέξανδρος Λάππας, ΙΗΔΛ-ΙΤΕ, Τηλ. 2810-391344, E-mail: lappas@iesl.forth.gr, Ιστοσελίδα: http://funl.iesl.forth.gr