(Phys.org) - Las moléculas ancladas a las superficies de las nanopartículas modifican e incluso controlan muchas características de las partículas, incluyendo cómo interactúan con las células o reaccionan a la luz. El tipo de unión afecta el comportamiento y la interacción de la nanopartícula con las partículas circundantes, átomos y moléculas. Desafortunadamente, Los métodos para estudiar directamente la unión de la superficie en una interfaz sólido / líquido de nanopartículas han sido esquivos, ya que la mayoría de las técnicas existentes no suelen acceder a la interfaz. Los investigadores de EMSL aprovecharon las capacidades instrumentales avanzadas, una célula experimental especialmente diseñada y un modelo teórico para deducir con éxito cómo las moléculas de ácido carboxílico, un ácido orgánico común que se encuentra en la naturaleza, se unen a las superficies de las nanopartículas de ceria.
Debido a esta investigación, la comunidad científica tiene ahora una forma nueva y potencialmente poderosa de caracterizar las interacciones de nanopartículas con moléculas en una variedad de entornos, posiblemente extendiéndose a sus comportamientos en células vivas. Como tales interfaces "ocultas" son comunes en la naturaleza y en nuestros cuerpos, caracterizar y comprender la estructura y las interacciones donde se encuentran los líquidos y los sólidos puede acelerar el diseño de nuevas moléculas para resolver problemas en medicina, remediación ambiental, estudios climáticos, biocombustibles, catalizadores y almacenamiento de energía.
El trabajo experimental se realizó en el espectrómetro vibracional de generación de frecuencia de suma de EMSL (SFG-VS). SFG-VS es una espectroscopia óptica sensible que puede medir selectivamente espectros vibratorios de moléculas unidas en superficies con las frecuencias de "huellas dactilares" para ayudar a determinar las especies de enlace y sus estructuras. Debido a los desafíos experimentales y la dificultad de interpretación sin una guía teórica, El SFG generalmente no se ha extendido para sondear superficies de nanopartículas enterradas en líquido. En EMSL, Se diseñó una celda óptica para realizar experimentos in situ utilizando una ventana de CaF2 (que puede transmitir luz infrarroja) depositada con nanopartículas de ceria en contacto con una solución de ácido acético. SFG-VS identificó frecuencias de resonancia de las vibraciones de enlaces moleculares entre el ácido y las superficies de ceria en diferentes estados de oxidación.
El modelado teórico fue crucial para la identificación exitosa de los enlaces. La teoría de los primeros principios se utilizó para predecir las estructuras estables mediante el modelado de varias formas en que el ácido acético puede unirse a los sitios de la superficie en los cúmulos de ceria. Las frecuencias de resonancia de las estructuras favorecidas termodinámicamente se calcularon para compararlas con las del experimento SFG-VS. Los resultados del modelado revelaron que el ácido acético se une de manera diferente en superficies reducidas de ceria que en superficies oxidadas. de acuerdo con los resultados experimentales.
