Molekylær dybdeprofilering modelleret ved hjælp af buckyballs og lavenergi-argon

(PhysOrg.com) - Et team af forskere ledet af en kemiker fra Penn State University har demonstreret styrkerne og svaghederne ved en alternativ metode til molekylær dybdeprofilering - en teknik, der bruges til at analysere overfladen af ​​ultratynde materialer såsom menneskeligt væv , nanopartikler, og andre stoffer. I den nye undersøgelse, forskerne brugte computersimuleringer og modellering til at vise effektiviteten og begrænsningerne af den alternative metode, som bliver brugt af en forskergruppe i Taiwan. De nye computersimuleringsresultater kan hjælpe fremtidige forskere til at vælge, hvornår de vil bruge den nye metode til at analysere, hvordan og hvor bestemte molekyler er fordelt i overfladelagene af ultratynde materialer. Forskningen vil blive offentliggjort i Journal of Physical Chemistry Letters.

Holdleder Barbara Garrison, Shapiro professor i kemi og leder af afdelingen for kemi ved Penn State University, forklaret, at bombardering af et materiale med buckyballs - hule molekyler sammensat af 60 kulstofatomer, der er formet til en sfærisk form, der ligner en fodbold - er et effektivt middel til molekylær dybdeprofilering. Navnet, "buckyball, "er en hyldest til en tidlig amerikansk ingeniør fra det tyvende århundrede, Buckminster Fuller, hvis design af en geodætisk kuppel meget ligner det fodbold-bold-formede 60-carbon molekyle. "Forskere fandt ud af for et par år siden, at buckyballs kunne bruges til at profilere dybder i molekylær skala meget effektivt, Garrison forklarede. "Buckyballs er meget større og tykkere end afstanden mellem molekylerne på overfladen af ​​det materiale, der studeres, så når buckyballs rammer overfladen, de har en tendens til at bryde det op på en måde, så vi kan kigge ind i det faste stof og faktisk se, hvilke molekyler der er arrangeret hvor. Vi kan se, for eksempel, at et lag er sammensat af en slags molekyle og det næste lag er sammensat af en anden slags molekyle, svarende til den måde en meteor skaber et krater på, der blotter underjordiske lag af sten."

Garrison og hendes kolleger besluttede at bruge computermodellering til at teste effektiviteten af ​​en alternativ tilgang, som en anden forskergruppe havde brugt. Den anden gruppe havde brugt ikke kun store, højenergi buckyballs til at bombardere en overflade, men også en anden mindre, lavenergi kemisk element -- argon -- i processen. "I vores computersimuleringer, vi modellerede bombardementet af overflader først med højenergi buckyballs og så senere, med lavenergi argon atomer, " sagde Garrison.

Garnisons gruppe fandt ud af, at med buckyball bombardement alene i græsningsvinkler, slutresultatet er en meget ru overflade med mange trug og kamme i én retning. "I mange tilfælde denne tilgang fungerer godt til dybdeprofilering. Imidlertid, i andre tilfælde, Brug af buckyballs alene giver en ujævn overflade, hvorpå der kan udføres molekylær dybdeprofilering, fordi molekylerne kan fordeles ujævnt i toppene og dalene, Garrison forklarede. "I disse tilfælde, når lavenergi argon bombardement tilføjes til processen, resultatet er meget mere jævnt, glattere overflade, hvilken, på tur, giver et bedre område at lave analyser af molekylært arrangement på. I disse tilfælde, forskere kan få et klarere billede af de mange lag af molekyler og præcis hvilke molekyler, der udgør hvert lag."

Imidlertid, Garrison's team konkluderede også, at argon skal være lavt nok i energi for at undgå yderligere skade på de molekyler, der bliver profileret. "Ifølge vores simuleringer, bundlinjen er, at de buckyball-forhold, som den anden forskergruppe brugte, ikke er de bedste til dybdeprofilering; dermed, co-bombardement med lavenergi argon hjalp processen, " sagde Garrison. "Det vil sige, co-bombardementmetoden virker kun i nogle meget specifikke tilfælde. Vi tror ikke, at lavenergi-argon vil hjælpe i tilfælde, hvor buckyballs har tilstrækkelig høj energi." Garrison tilføjede, at tidligere forskere havde forsøgt at bruge mindre, enklere atomprojektiler ved høje, snarere end lave energier, men disse projektiler havde en tendens til simpelthen at trænge dybt ind i overfladen, uden at give forskerne et klart overblik over arrangementet og identiteten af ​​molekylerne nedenunder.

Garrison sagde, at molekylær dybdeprofilering er et afgørende aspekt af mange kemiske eksperimenter, og dets anvendelser er vidtrækkende. For eksempel, molekylær dybdeprofilering er en måde at komme uden om udfordringerne ved at arbejde med noget så lille og indviklet som en biologisk celle. En celle er sammensat af tynde lag af forskellige materialer, men det er svært at skære i noget så lille til at analysere sammensætningen af ​​de superfine lag. Ud over, molekylær dybdeprofilering kan bruges til at analysere andre former for menneskeligt væv, såsom hjernevæv - en proces, der kan hjælpe forskere med at forstå neurologiske sygdomme og skader. I fremtiden, molekylær dybdeprofilering kunne også bruges til at studere nanopartikler - ekstremt små objekter med dimensioner på mellem 1 og 10 nanometer, kun synlig med et elektronmikroskop. Fordi nanopartikler allerede bliver brugt eksperimentelt som lægemiddelleveringssystemer, en detaljeret analyse af deres egenskaber ved hjælp af molekylær dybdeprofilering kunne hjælpe forskere med at teste effektiviteten af ​​lægemiddelleveringssystemerne.