Nejmenší kovové magnety na světě vyvinuli vědci z Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů Univerzity Palackého v Olomouci spolu s kolegy z Prahy a Singapuru. Na jejich přípravu využili grafen, který posloužil jako chemická past pro tvorbu a stabilizaci magnetických kovů o velikosti několika nanometrů.
Češi vyvinuli nejmenší kovové nanomagnety na světě. Mohou změnit medicínu
Odborníci již testují jejich účinnost v lékařské diagnostice, uplatnění ale mohou najít třeba i v ekologii, elektronice či biotechnologiích. Společnou práci českých výzkumníků zveřejnil v těchto dnech prestižní časopis Nature Communications.
- Grafen je supertenká forma uhlíku strukturou podobná grafitu, představující nejpevnější známý materiál na světě. Na výšku má pouze jeden atom a je průhledná, v důsledku této de facto 2D struktury má také některé zvláštní fyzikální vlastnosti.
Základem úspěchu se stala právě kombinace nanočástic železa, niklu či kobaltu s chemicky upraveným grafenem. Grafen si lze představit jako jedinou vrstvu atomů uhlíku, která je pevnější než ocel, zcela propouští procházející světlo a vede elektrický proud lépe než měď.
„Pokud tento materiál chemicky upravíme, můžeme významně ovlivnit jeho elektrické, optické i magnetické vlastnosti. Tentokrát jsme využili vhodné funkční skupiny k jakémusi uvěznění malých kovových nanočástic mezi listy grafenu, a tím zabránili jejich oxidaci na dosud běžně využívané, ale méně magnetické oxidy kovů. Získali jsme tak novou třídu na vzduchu stabilních a velmi silných magnetů,“ popsal vedoucí projektu a ředitel RCPTM Radek Zbořil.
O nanočástice čistých kovů se vědecká komunita zajímá po desetiletí zejména kvůli schopnosti vykazovat takzvaný superparamagnetismus. „Tento jev je vlastní velmi malým magnetickým částicím, které vykazují silnou a rychlou odezvu, pokud jsou vystaveny účinkům vnějšího magnetického pole. Zatímco u nanočástic oxidů kovů byl tento fenomén dobře popsán, u čistých kovových částic, které vykazují mnohem silnější magnetismus, byl pouze teoreticky předpovězen. Takto malé kovy jsou totiž mimořádně reaktivní a za běžných podmínek na vzduchu shoří,“ říká Jiří Tuček z RCPTM, jeden z předních českých fyziků v oblasti magnetismu.
Pokud plně pochopíme podstatu tohoto jevu, může to znamenat zásadní přelom ve fyzice a chemii pevných látek.
Jak tedy dokázali Češi překonat tuto experimentální výzvu? „Metoda přípravy je poměrně jednoduchá – vyžaduje práci ve vodíkové atmosféře a využití kyslíkových funkčních skupin, které pevnou vazbou propojí grafen a nanomagnet. Technologie dovoluje připravit širokou škálu takto malých a stabilních kovových magnetů. Navíc je lze vyrobit jednorázově ve velkých množstvích. Právě dostatečná produkce bývá hlavním problémem uplatnění mnoha slibných technologií na bázi grafenu,“ vysvětluje Zdeněk Sofer z pražské VŠCHT, který stál u vývoje syntetických postupů.
Události: Olomoučtí vědci vytvořili nejmenší kovové magnety na světě (zdroj: ČT24)
Praktické využití nanotechnologie změní svět
- Nanometr (značka nm) je délková jednotka, 10−9 neboli 1 miliardtina metru.
Český tým již prokázal účinnost kovových nanočástic v lékařské diagnostice. Jak ukázaly experimenty na myších modelech v brněnských laboratořích Ústavu přístrojové techniky AV ČR, kovové magnety slouží jako velmi perspektivní kontrastní látky při zobrazování magnetickou rezonancí.
Aplikační potenciál technologie je však mnohem širší. „Ukotvené magnetické nanočástice dovolují jednoduše manipulovat s grafenem a přitom neovlivňují jeho unikátní povrchové a fyzikálně-chemické vlastnosti. Kompozit tak může nalézt uplatnění jako citlivý elektrochemický senzor, ale i v elektronice nebo magnetooptických technologiích. Možnost snadného transportu v kombinaci s ukotvením chemických substancí na povrch grafenu nabízí prostor také v technologiích čištění vod, ale i při cíleném transportu léčiv nebo separaci důležitých biomolekul v biochemii a potravinářství,“ naznačil další z českých spoluautorů Martin Pumera, který působí na přední světové univerzitě v Singapuru.
Léky přímo na místo
Jedna z oblastí, od níž si vědci slibují v souvislosti s nanomateriály – a tedy i nanomagnety – nejvíce, je takzvaný cílený transport léčiv. Základní myšlenkou je doručení léčivé látky jen do nemocné části těla (klidně i jen do jediné buňky).
To jednak zamezuje negativnímu působení léčivých látek na zdravé buňky, současně to pomáhá při maximalizaci jejich léčivého účinku. Nanomagnety by v tom mohly jednou hrát klíčovou roli – především by mohly celou metodu velmi zrychlit a zřejmě i zlevnit.
Podívejte se na rozhovor s vedoucím projektu a ředitelem RCPTM Radkem Zbořilem:
Nanomagnety v Olomouci (zdroj: ČT24)
Typickým případem, kde si vědci od cíleného transportu léčiv slibují nejvíce, je chemoterapie nádorových onemocnění. Právě tam totiž mají cytostatika velmi silné vedlejší toxické účinky na zdravé tkáně. Pacientovi je dnes možné podat jen omezené množství látek, během transportu na cílové místo jich spousta zmizí do „okolí“.
Sama myšlenka „dodat lék přímo do buňky“ je sice stará více než 110 let, ale prakticky se s tímto druhem léčby experimentuje teprve v 21. století. Existují už dokonce tři druhy cíleného transportu léčiv:
- přímé doručení léčiva na určené místo pomocí injekce, léčivá látka se uvolní teprve tam;
- pasivní cílený transport neboli targeting, při němž se lék dostane na místo doručení díky své vnitřní vlastnosti: například velikosti částic nebo rozpustnosti v tucích;
- aktivní cílený transport, kdy je lékový transportní systém vybaven směrovací částí, která jej doručí do požadovaného místa působení.
Proč už nejsou nanočástice všude?
Nanotechnologická řešení dopravy léků jsou sice velmi účinná, stále se však ještě objevuje mnoho problémů, které věda doposud úspěšně nevyřešila. Částice totiž vzhledem ke své velikosti mohou proniknout kamkoliv v lidském těle. Je tedy potřeba zabránit jim, aby se nedostávaly na místa, kam rozhodně nepatří. Další velkou otázkou je to, jak vysloužilé nanočástice ničit; největší praktickou překážkou je však doposud extrémní cena takové léčby.