Las técnicas avanzadas de resonancia magnética nuclear (RMN) del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU. Han revelado detalles sorprendentes sobre la estructura de un grupo clave de materiales en nanotecnología. nanopartículas de sílice mesoporosas (MSN), y la ubicación de sus sitios químicos activos.

Los MSN están agrupados en forma de panal con pequeños túneles o poros ordenados en tres dimensiones (alrededor de 2-15 nm de ancho), y sirven como soportes para grupos funcionales orgánicos adaptados a una amplia gama de necesidades. Con posibles aplicaciones en catálisis, separaciones químicas, biosensor, y entrega de medicamentos, Los MSN son el foco de una intensa investigación científica.

"Desde el desarrollo de los MSN, la gente ha intentado controlar su funcionamiento, "dijo Takeshi Kobayashi, un científico de RMN de la División de Ciencias Químicas y Biológicas del Laboratorio Ames. "La investigación ha explorado hacer esto mediante la modificación del tamaño y la forma de las partículas, tamaño de poro, y desplegando varios grupos funcionales orgánicos en sus superficies para realizar las tareas químicas deseadas. Sin embargo, la comprensión de los resultados de estos esfuerzos sintéticos puede ser un gran desafío ".

Marek Pruski, científico del Laboratorio Ames, explicó que a pesar de la existencia de diferentes técnicas para la funcionalización de los MSN, nadie sabía exactamente en qué se diferenciaban. En particular, Hasta hace poco faltaba una descripción a escala atómica de cómo se distribuían los grupos orgánicos en la superficie.

"Una cosa es detectar y cuantificar estos grupos funcionales, o incluso determinar su estructura, ", dijo Pruski." Pero dilucidar su disposición espacial plantea desafíos adicionales. ¿Residen en las superficies o están parcialmente incrustados en las paredes de sílice? ¿Están distribuidos uniformemente en las superficies? Si hay varios tipos de funcionalidades, ¿Se mezclan aleatoriamente o forman dominios? RMN convencional, así como otras técnicas analíticas, han luchado por proporcionar respuestas satisfactorias a estas importantes preguntas ".

Kobayashi, Pruski, y otros investigadores utilizaron DNP-NMR para obtener una imagen mucho más clara de las estructuras de los MSN funcionalizados. "DNP" significa "polarización nuclear dinámica, "un método que utiliza microondas para excitar electrones no apareados en radicales y transferir su alta polarización de espín a los núcleos de la muestra que se analiza, ofreciendo una sensibilidad drásticamente mayor, a menudo por dos órdenes de magnitud, e incluso mayores ahorros de tiempo experimental. RMN convencional, que mide las respuestas de los núcleos de átomos colocados en un campo magnético para dirigir la excitación de radiofrecuencia, carece de la sensibilidad necesaria para identificar las interacciones internucleares entre diferentes sitios y funcionalidades en las superficies. Cuando se combina con DNP, así como el giro rápido del ángulo mágico (MAS), La RMN se puede utilizar para detectar tales interacciones con una sensibilidad sin precedentes.

Los métodos DNP-NMR no solo obtuvieron la ubicación y distribución a escala atómica de los grupos funcionales, pero los resultados refutaron algunas de las nociones existentes sobre cómo se fabrican los MSN y cómo las diferentes estrategias sintéticas influyeron en la dispersión de grupos funcionales a lo largo de los poros de sílice.

"Al examinar el papel de varias condiciones experimentales, Nuestras técnicas de RMN pueden dar a los científicos la información mecanicista que necesitan para guiar la síntesis de MSN de una manera más controlada ", dijo Kobayashi.

La investigación se analiza con más detalle en "La distribución espacial de los grupos funcionales orgánicos catalíticos unidos a sílice ahora se puede revelar mediante métodos de RMN de estado sólido convencionales y mejorados con DNP". "escrito por T. Kobayashi y M. Pruski; y publicado en Catálisis ACS .