Avanceret NMR fanger nye detaljer i nanopartikelstrukturer

Avancerede nuklear magnetisk resonans (NMR) teknikker ved U.S. Department of Energy's Ames Laboratory har afsløret overraskende detaljer om strukturen af ​​en nøglegruppe af materialer inden for nanoteknologi, mesoporøse silica nanopartikler (MSN'er), og placeringen af ​​deres aktive kemiske steder.

MSN'er er honeycombed med små (ca. 2-15 nm brede) tredimensionelt ordnede tunneler eller porer, og tjene som støtte til organiske funktionelle grupper skræddersyet til en bred vifte af behov. Med mulige anvendelser inden for katalyse, kemisk adskillelse, biosensing, og medicinafgivelse, MSN'er er i fokus for intens videnskabelig forskning.

"Siden udviklingen af ​​MSN'er, folk har forsøgt at kontrollere den måde, de fungerer på, " sagde Takeshi Kobayashi, en NMR-forsker ved afdelingen for kemiske og biologiske videnskaber ved Ames Laboratory. "Forskning har udforsket at gøre dette ved at ændre partikelstørrelse og form, porestørrelse, og ved at anvende forskellige organiske funktionelle grupper på deres overflader for at udføre de ønskede kemiske opgaver. Imidlertid, forståelse af resultaterne af disse syntetiske bestræbelser kan være meget udfordrende."

Ames Laboratory videnskabsmand Marek Pruski forklarede, at på trods af eksistensen af ​​forskellige teknikker til MSNs funktionalisering, ingen vidste præcis, hvordan de var forskellige. I særdeleshed, atomare skala beskrivelse af, hvordan de organiske grupper fordelte sig på overfladen, manglede indtil for nylig.

"Det er én ting at opdage og kvantificere disse funktionelle grupper, eller endda bestemme deres struktur, " sagde Pruski. "Men at belyse deres rumlige indretning udgør yderligere udfordringer. Sidder de på overfladerne eller er de delvist indlejret i silicavæggene? Er de ensartet fordelt på overflader? Hvis der er flere typer funktionaliteter, er de tilfældigt blandet eller danner de domæner? Konventionel NMR, samt andre analytiske teknikker, har kæmpet for at give tilfredsstillende svar på disse vigtige spørgsmål."

Kobayashi, Pruski, og andre forskere brugte DNP-NMR til at få et meget klarere billede af strukturerne af funktionaliserede MSN'er. "DNP" står for "dynamisk nuklear polarisering, "en metode, der bruger mikrobølger til at excitere uparrede elektroner i radikaler og overføre deres høje spinpolarisering til kernerne i prøven, der analyseres, tilbyder drastisk højere følsomhed, ofte i to størrelsesordener, og endnu større besparelser af eksperimentel tid. Konventionel NMR, som måler reaktionerne fra kernerne af atomer placeret i et magnetfelt på direkte radiofrekvensexcitation, mangler den nødvendige følsomhed til at identificere de internukleære interaktioner mellem forskellige steder og funktionaliteter på overflader. Når parret med DNP, samt hurtig magisk vinkelspinning (MAS), NMR kan bruges til at detektere sådanne interaktioner med hidtil uset følsomhed.

Ikke alene fremkaldte DNP-NMR-metoderne placeringen og fordelingen af ​​de funktionelle grupper på atomare skala, men resultaterne modbeviste nogle af de eksisterende forestillinger om, hvordan MSN'er er lavet, og hvordan de forskellige syntetiske strategier påvirkede spredningen af ​​funktionelle grupper gennem silicaporerne.

"Ved at undersøge rollen af ​​forskellige eksperimentelle forhold, Vores NMR-teknikker kan give videnskabsmænd den mekanistiske indsigt, de har brug for for at guide syntesen af ​​MSN'er på en mere kontrolleret måde," sagde Kobayashi.

Forskningen diskuteres yderligere i "Rumlig fordeling af silicabundne katalytiske organiske funktionelle grupper kan nu afsløres ved konventionelle og DNP-forstærkede faststof-NMR-metoder, "forfattet af T. Kobayashi og M. Pruski; og udgivet i ACS katalyse .