(Phys.org) —Le molecole ancorate alle superfici delle nanoparticelle modificano e persino controllano molte caratteristiche delle particelle, compreso il modo in cui interagiscono con le cellule o reagiscono alla luce. Il tipo di legame influenza il comportamento della nanoparticella e l'interazione con le particelle circostanti, atomi e molecole. Sfortunatamente, i metodi per studiare direttamente il legame superficiale in corrispondenza di un'interfaccia solido/liquido di nanoparticelle sono stati sfuggenti, poiché l'interfaccia di solito non è accessibile dalla maggior parte delle tecniche esistenti. I ricercatori dell'EMSL hanno sfruttato capacità strumentali avanzate, una cella sperimentale appositamente progettata e modelli teorici per dedurre con successo il modo in cui le molecole di acido carbossilico, un comune acido organico presente in natura, si legano alle superfici delle nanoparticelle di ceria.
A causa di questa ricerca, la comunità scientifica ha ora un modo nuovo e potenzialmente potente per caratterizzare le interazioni delle nanoparticelle con le molecole in una serie di ambienti, possibilmente estendendosi ai loro comportamenti nelle cellule viventi. Poiché tali interfacce "nascoste" sono comuni in natura e nei nostri corpi, caratterizzare e comprendere la struttura e le interazioni in cui si incontrano liquidi e solidi può accelerare la progettazione di nuove molecole per risolvere i problemi in medicina, bonifica ambientale, studi sul clima, biocarburanti, catalizzatori e accumulo di energia.
Il lavoro sperimentale è stato eseguito sullo spettrometro vibrazionale a generazione di frequenza somma di EMSL (SFG-VS). SFG-VS è una spettroscopia ottica sensibile in grado di misurare selettivamente gli spettri vibrazionali di molecole legate su superfici con le frequenze "impronta digitale" per aiutare a determinare le specie di legame e le loro strutture. A causa delle sfide sperimentali e della difficoltà di interpretazione senza una guida teorica, L'SFG di solito non è stato esteso per sondare le superfici di nanoparticelle sepolte nel liquido. All'EMSL, una cella ottica è stata progettata per eseguire esperimenti in situ utilizzando una finestra di CaF2 (che può trasmettere luce infrarossa) depositata con nanoparticelle di ceria a contatto con una soluzione di acido acetico. SFG-VS ha identificato le frequenze di risonanza delle vibrazioni dei legami molecolari tra l'acido e le superfici di ceria in diversi stati di ossidazione.
La modellizzazione teorica è stata cruciale per l'identificazione riuscita dei legami. La teoria dei primi principi è stata utilizzata per prevedere le strutture stabili modellando vari modi in cui l'acido acetico può legarsi ai siti superficiali sui cluster di ceria. Le frequenze di risonanza delle strutture termodinamicamente favorite sono state calcolate per confrontarle con quelle dell'esperimento SFG-VS. I risultati della modellazione hanno rivelato che l'acido acetico si lega in modo diverso sulle superfici ridotte di ceria rispetto alle superfici ossidate, in accordo con i risultati sperimentali.
