Forskere åbner nye muligheder for karakterisering af nanopartikelinteraktioner

(Phys.org) —Molekyler forankret på overfladerne af nanopartikler ændrer og endda styrer mange karakteristika ved partiklerne, herunder hvordan de interagerer med celler eller reagerer på lys. Bindingstypen påvirker nanopartikelens adfærd og interaktion med omgivende partikler, atomer og molekyler. Desværre, metoder til direkte undersøgelse af overfladebinding ved en nanopartikel fast/flydende grænseflade har været undvigende, da grænsefladen normalt ikke er tilgængelig med de fleste eksisterende teknikker. Forskere ved EMSL udnyttede avancerede instrumental kapaciteter, en specialdesignet eksperimentel celle og teoretisk modellering for med succes at udlede, hvordan molekyler af carboxylsyre - en almindelig organisk syre, der findes i naturen - binder sig til ceria nanopartikeloverflader.

På grund af denne forskning, det videnskabelige samfund har nu en ny og potentielt kraftfuld måde at karakterisere nanopartiklers interaktion med molekyler i en række miljøer, muligvis strækker sig til deres adfærd i levende celler. Da sådanne "skjulte" grænseflader er almindelige i naturen og i vores kroppe, karakterisering og forståelse af strukturen og interaktioner, hvor væsker og faste stoffer mødes, kan fremskynde design af nye molekyler for at løse problemer inden for medicin, miljøsanering, klimastudier, biobrændstoffer, katalysatorer og energilagring.

Det eksperimentelle arbejde blev udført på EMSLs sum-frekvensgenerering vibrationsspektrometer (SFG-VS). SFG-VS er en følsom optisk spektroskopi, der selektivt kan måle vibrationsspektre for molekyler bundet på overflader med "fingeraftryk" frekvenser for at hjælpe med at bestemme bindingsarterne og deres strukturer. På grund af eksperimentelle udfordringer og vanskeligheden ved fortolkning uden teoretisk vejledning, SFG er normalt ikke blevet udvidet til at undersøge nanopartikeloverflader begravet i væske. På EMSL, en optisk celle blev designet til at udføre in-situ eksperimenter ved hjælp af et CaF2-vindue (som kan transmittere infrarødt lys) deponeret med ceria nanopartikler i kontakt med eddikesyreopløsning. SFG-VS identificerede resonansfrekvenser for vibrationer af molekylære bindinger mellem syren og ceriaoverfladerne i forskellige oxidationstilstande.

Teoretisk modellering var afgørende for en vellykket identifikation af obligationerne. Første principper teori blev brugt til at forudsige de stabile strukturer ved at modellere forskellige måder eddikesyre kan binde til overfladesteder på ceria klynger. Resonansfrekvenserne for termodynamisk begunstigede strukturer blev beregnet til at sammenligne med dem fra SFG-VS-eksperimentet. Modelresultater afslørede, at eddikesyre binder anderledes på reducerede overflader af ceria end på oxiderede overflader, i overensstemmelse med eksperimentelle resultater.