Geavanceerde nucleaire magnetische resonantie (NMR) technieken bij het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy hebben verrassende details onthuld over de structuur van een sleutelgroep materialen in nanotechnologie, mesoporeuze silica nanodeeltjes (MSN's), en de plaatsing van hun actieve chemische sites.

MSN's zijn bezaaid met kleine (ongeveer 2-15 nm brede) driedimensionaal geordende tunnels of poriën, en dienen als ondersteuning voor organische functionele groepen die zijn afgestemd op een breed scala aan behoeften. Met mogelijke toepassingen in katalyse, chemische scheidingen, biodetectie, en medicijnafgifte, MSN's zijn de focus van intensief wetenschappelijk onderzoek.

"Sinds de ontwikkeling van MSN's, mensen hebben geprobeerd de manier waarop ze functioneren te controleren, " zei Takeshi Kobayashi, een NMR-wetenschapper bij de afdeling Chemische en Biologische Wetenschappen van Ames Laboratory. "Onderzoek heeft onderzocht om dit te doen door de deeltjesgrootte en vorm aan te passen, porie grootte, en door verschillende organische functionele groepen op hun oppervlakken in te zetten om de gewenste chemische taken te volbrengen. Echter, het begrijpen van de resultaten van deze synthetische inspanningen kan een hele uitdaging zijn."

Ames Laboratory-wetenschapper Marek Pruski legde uit dat ondanks het bestaan ​​van verschillende technieken voor de functionalisering van MSN's, niemand wist precies hoe ze anders waren. Vooral, beschrijving op atomaire schaal van hoe de organische groepen op het oppervlak waren verdeeld, ontbrak tot voor kort.

"Het is één ding om deze functionele groepen te detecteren en te kwantificeren, of zelfs hun structuur bepalen, " zei Pruski. "Maar het ophelderen van hun ruimtelijke ordening brengt extra uitdagingen met zich mee. Zitten ze op de oppervlakken of zijn ze gedeeltelijk ingebed in de silicawanden? Zijn ze gelijkmatig verdeeld over oppervlakken? Als er meerdere soorten functionaliteiten zijn, zijn ze willekeurig gemengd of vormen ze domeinen? Conventionele NMR, evenals andere analytische technieken, hebben geworsteld om bevredigende antwoorden op deze belangrijke vragen te geven."

Kobayashi, Pruski, en andere onderzoekers gebruikten DNP-NMR om een ​​veel duidelijker beeld te krijgen van de structuren van gefunctionaliseerde MSN's. "DNP" staat voor "dynamische nucleaire polarisatie, " een methode die microgolven gebruikt om ongepaarde elektronen in radicalen te exciteren en hun hoge spinpolarisatie over te brengen naar de kernen in het te analyseren monster, biedt een drastisch hogere gevoeligheid, vaak twee ordes van grootte, en zelfs grotere besparingen van experimentele tijd. Conventionele NMR, die de reacties meet van de kernen van atomen die in een magnetisch veld zijn geplaatst om radiofrequentie-excitatie te sturen, mist de gevoeligheid die nodig is om de internucleaire interacties tussen verschillende sites en functionaliteiten op oppervlakken te identificeren. In combinatie met DNP, evenals snelle magische hoekspinning (MAS), NMR kan worden gebruikt om dergelijke interacties met ongekende gevoeligheid te detecteren.

Niet alleen lokten de DNP-NMR-methoden de locatie en verdeling van de functionele groepen op atomaire schaal uit, maar de resultaten weerlegden enkele van de bestaande opvattingen over hoe MSN's worden gemaakt en hoe de verschillende synthetische strategieën de verspreiding van functionele groepen door de silicaporiën beïnvloedden.

"Door de rol van verschillende experimentele omstandigheden te onderzoeken, onze NMR-technieken kunnen wetenschappers het mechanistische inzicht geven dat ze nodig hebben om de synthese van MSN's op een meer gecontroleerde manier te begeleiden", aldus Kobayashi.

Het onderzoek wordt verder besproken in "Ruimtelijke verdeling van silica-gebonden katalytische organische functionele groepen kan nu worden onthuld door conventionele en DNP-versterkte vaste-stof NMR-methoden, " geschreven door T. Kobayashi en M. Pruski; en gepubliceerd in ACS Katalyse .