(PhysOrg.com) -- Een team van wetenschappers onder leiding van een scheikundige van Penn State University heeft de sterke en zwakke punten aangetoond van een alternatieve methode voor moleculaire diepteprofilering - een techniek die wordt gebruikt om het oppervlak van ultradunne materialen zoals menselijk weefsel te analyseren , nanodeeltjes, en andere stoffen. In de nieuwe studie de onderzoekers gebruikten computersimulaties en modellering om de effectiviteit en beperkingen van de alternatieve methode aan te tonen, die wordt gebruikt door een onderzoeksgroep in Taiwan. De nieuwe bevindingen van computersimulaties kunnen toekomstige onderzoekers helpen om te kiezen wanneer ze de nieuwe methode willen gebruiken om te analyseren hoe en waar bepaalde moleculen worden verdeeld over de oppervlaktelagen van ultradunne materialen. Het onderzoek wordt gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry Letters.

Teamleider Barbara Garrison, de Shapiro hoogleraar scheikunde en het hoofd van de afdeling scheikunde aan de Penn State University, legde uit dat het bombarderen van een materiaal met buckyballs - holle moleculen bestaande uit 60 koolstofatomen die zijn gevormd tot een bolvorm die lijkt op een voetbal - een effectief middel is voor moleculaire diepteprofilering. De naam, "buckyball, is een hommage aan een Amerikaanse ingenieur uit het begin van de twintigste eeuw, Buckminster Fuller, waarvan het ontwerp van een geodetische koepel erg lijkt op het voetbalvormige molecuul met 60 koolstofatomen. "Onderzoekers ontdekten een paar jaar geleden dat buckyballs kunnen worden gebruikt om moleculaire diepten zeer effectief te profileren, Garrison legde uit. "Buckyballs zijn veel groter en dikker dan de afstand tussen de moleculen aan het oppervlak van het materiaal dat wordt bestudeerd, dus als de buckyballs de oppervlakte raken, ze hebben de neiging om het op zo'n manier op te splitsen dat we in de vaste stof kunnen kijken en daadwerkelijk kunnen zien welke moleculen waar zijn gerangschikt. Wij kunnen zien, bijvoorbeeld, die ene laag is samengesteld uit een soort molecuul en de volgende laag is samengesteld uit een ander soort molecuul, vergelijkbaar met de manier waarop een meteoor een krater creëert die ondergrondse rotslagen blootlegt."

Garrison en haar collega's besloten computermodellering te gebruiken om de effectiviteit te testen van een alternatieve benadering die een andere onderzoeksgroep had gebruikt. De andere groep had niet alleen grote, hoogenergetische buckyballs om een ​​oppervlak te bombarderen, maar ook nog een kleinere, laag-energetisch chemisch element -- argon -- in het proces. "In onze computersimulaties we hebben het bombardement van oppervlakken eerst gemodelleerd met hoogenergetische buckyballs en later, met laagenergetische argonatomen, ' zei Garrison.

Garrison's groep ontdekte dat, met buckyball-bombardement alleen bij grazende hoeken, het eindresultaat is een zeer ruw oppervlak met veel troggen en richels in één richting. "In veel gevallen deze aanpak werkt goed voor diepteprofilering. Echter, in andere gevallen, het gebruik van alleen buckyballs zorgt voor een hobbelig oppervlak waarop moleculaire diepteprofilering kan worden uitgevoerd, omdat de moleculen ongelijk over de pieken en dalen kunnen worden verdeeld, " legde Garrison uit. "In deze gevallen, wanneer een laag-energetisch argonbombardement aan het proces wordt toegevoegd, het resultaat is een veel gelijkmatiger, gladder oppervlak, die, beurtelings, zorgt voor een beter gebied om analyses van moleculaire rangschikking uit te voeren. In deze gevallen, onderzoekers kunnen een duidelijker beeld krijgen van de vele lagen moleculen en precies uit welke moleculen elke laag bestaat."

Echter, Het team van Garrison kwam ook tot de conclusie dat het argon energiearm genoeg moet zijn om verdere schade aan de moleculen die worden geprofileerd te voorkomen. "Volgens onze simulaties, het komt erop neer dat de buckyball-omstandigheden die de andere onderzoeksgroep gebruikte niet de beste zijn voor diepteprofilering; dus, co-bombardement met energiezuinig argon hielp het proces, " zei Garrison. "Dat wil zeggen, de co-bombardementsmethode werkt alleen in enkele zeer specifieke gevallen. We denken niet dat argon met lage energie zal helpen in gevallen waarin de buckyballs een voldoende hoge energie hebben." Garrison voegde eraan toe dat eerdere onderzoekers hadden geprobeerd kleinere, eenvoudiger atomaire projectielen op hoge, in plaats van lage energieën, maar deze projectielen hadden de neiging om eenvoudig diep in het oppervlak door te dringen, zonder wetenschappers een duidelijk beeld te geven van de rangschikking en identiteit van de moleculen eronder.

Garrison zei dat moleculaire diepteprofilering een cruciaal aspect is van veel chemische experimenten en dat de toepassingen ervan verreikend zijn. Bijvoorbeeld, moleculaire diepteprofilering is een manier om de uitdagingen van het werken met zoiets kleins en ingewikkelds als een biologische cel te omzeilen. Een cel is samengesteld uit dunne lagen van verschillende materialen, maar het is moeilijk om in zoiets kleins te snijden om de samenstelling van die superfijne lagen te analyseren. In aanvulling, moleculaire diepteprofilering kan worden gebruikt om andere soorten menselijk weefsel te analyseren, zoals hersenweefsel - een proces dat onderzoekers zou kunnen helpen neurologische ziekten en verwondingen te begrijpen. In de toekomst, moleculaire diepteprofilering kan ook worden gebruikt om nanodeeltjes te bestuderen -- extreem kleine objecten met afmetingen tussen 1 en 10 nanometer, alleen zichtbaar met een elektronenmicroscoop. Omdat nanodeeltjes al experimenteel worden gebruikt als medicijnafgiftesystemen, een gedetailleerde analyse van hun eigenschappen met behulp van moleculaire diepteprofilering zou onderzoekers kunnen helpen om de effectiviteit van de medicijnafgiftesystemen te testen.