(Phys.org) -Moleculen die zijn verankerd aan de oppervlakken van nanodeeltjes, wijzigen en beheersen zelfs veel kenmerken van de deeltjes, inclusief hoe ze interageren met cellen of reageren op licht. Het type binding beïnvloedt het gedrag en de interactie van het nanodeeltje met omringende deeltjes, atomen en moleculen. Helaas, methoden om de oppervlaktebinding op een vast / vloeibaar grensvlak van nanodeeltjes direct te bestuderen, zijn ongrijpbaar geweest, omdat de interface meestal niet toegankelijk is voor de meeste bestaande technieken. Onderzoekers van EMSL maakten gebruik van geavanceerde instrumentele mogelijkheden, een speciaal ontworpen experimentele cel en theoretische modellering om met succes af te leiden hoe moleculen van carbonzuur - een veelvoorkomend organisch zuur dat in de natuur voorkomt - binden aan oppervlakken van ceria-nanodeeltjes.

Door dit onderzoek is de wetenschappelijke gemeenschap heeft nu een nieuwe en potentieel krachtige manier om de interacties van nanodeeltjes met moleculen in verschillende omgevingen te karakteriseren, mogelijk uitbreidend tot hun gedrag in levende cellen. Als zodanig zijn "verborgen" interfaces gebruikelijk in de natuur en in ons lichaam, het karakteriseren en begrijpen van de structuur en interacties waar vloeistoffen en vaste stoffen elkaar ontmoeten, kan het ontwerp van nieuwe moleculen versnellen om problemen in de geneeskunde op te lossen, milieusanering, klimaatstudies, biobrandstoffen, katalysatoren en energieopslag.

Het experimentele werk werd uitgevoerd op EMSL's vibratiespectrometer voor som-frequentiegeneratie (SFG-VS). SFG-VS is een gevoelige optische spectroscopie die selectief trillingsspectra kan meten van moleculen die op oppervlakken zijn gebonden met de "vingerafdruk" -frequenties om de bindingssoorten en hun structuren te helpen bepalen. Vanwege experimentele uitdagingen en de moeilijkheid van interpretatie zonder theoretische begeleiding, SFG is meestal niet uitgebreid om nanodeeltjesoppervlakken begraven in vloeistof te onderzoeken. Bij EMSL, een optische cel is ontworpen om in-situ experimenten uit te voeren met behulp van een CaF2-venster (dat infrarood licht kan doorlaten) afgezet met ceria-nanodeeltjes in contact met azijnzuuroplossing. SFG-VS identificeerde resonantiefrequenties van de trillingen van moleculaire bindingen tussen het zuur en de ceria-oppervlakken in verschillende oxidatietoestanden.

Theoretische modellering was cruciaal voor de succesvolle identificatie van de obligaties. De theorie van de eerste beginselen werd gebruikt om de stabiele structuren te voorspellen door verschillende manieren te modelleren waarop azijnzuur kan binden aan oppervlakteplaatsen op ceria-clusters. De resonantiefrequenties van thermodynamisch favoriete structuren werden berekend om te vergelijken met die van het SFG-VS-experiment. Modelleringsresultaten toonden aan dat azijnzuur anders bindt op gereduceerde oppervlakken van ceria dan op geoxideerde oppervlakken, in overeenstemming met experimentele resultaten.