Le tecniche avanzate di risonanza magnetica nucleare (NMR) presso il Laboratorio Ames del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno rivelato dettagli sorprendenti sulla struttura di un gruppo chiave di materiali in nanotecnologia, nanoparticelle di silice mesoporosa (MSN), e il posizionamento dei loro siti chimici attivi.

Gli MSN sono a nido d'ape con piccoli tunnel o pori ordinati tridimensionalmente (circa 2-15 nm di larghezza), e fungono da supporto per gruppi funzionali organici adattati a un'ampia gamma di esigenze. Con possibili applicazioni in catalisi, separazioni chimiche, biorilevamento, e consegna di farmaci, Gli MSN sono al centro di un'intensa ricerca scientifica.

"Sin dallo sviluppo degli MSN, le persone hanno cercato di controllare il modo in cui funzionano, "ha detto Takeshi Kobayashi, uno scienziato NMR con la Divisione di Scienze Chimiche e Biologiche presso il Laboratorio Ames. "La ricerca ha esplorato la possibilità di farlo modificando la dimensione e la forma delle particelle, dimensione dei pori, e distribuendo vari gruppi funzionali organici sulle loro superfici per svolgere i compiti chimici desiderati. Però, la comprensione dei risultati di questi sforzi sintetici può essere molto impegnativa".

Lo scienziato dell'Ames Laboratory Marek Pruski ha spiegato che, nonostante l'esistenza di diverse tecniche per la funzionalizzazione degli MSN, nessuno sapeva esattamente come fossero diversi. In particolare, fino a poco tempo fa mancava una descrizione su scala atomica di come i gruppi organici fossero distribuiti sulla superficie.

"Una cosa è rilevare e quantificare questi gruppi funzionali, o addirittura determinarne la struttura, " ha detto Pruski. "Ma chiarire la loro disposizione spaziale pone ulteriori sfide. Risiedono sulle superfici o sono in parte annegati nelle pareti di silice? Sono distribuiti uniformemente sulle superfici? Se ci sono più tipi di funzionalità, sono mescolati casualmente o formano domini? RMN convenzionale, così come altre tecniche analitiche, hanno lottato per fornire risposte soddisfacenti a queste importanti domande".

Kobayashi, Pruski, e altri ricercatori hanno utilizzato DNP-NMR per ottenere un quadro molto più chiaro delle strutture degli MSN funzionalizzati. "DNP" sta per "polarizzazione nucleare dinamica, "un metodo che utilizza le microonde per eccitare gli elettroni spaiati nei radicali e trasferire la loro polarizzazione ad alto spin ai nuclei nel campione analizzato, offrendo una sensibilità drasticamente maggiore, spesso di due ordini di grandezza, e un risparmio ancora maggiore di tempo sperimentale. RMN convenzionale, che misura le risposte dei nuclei degli atomi posti in un campo magnetico all'eccitazione diretta a radiofrequenza, manca della sensibilità necessaria per identificare le interazioni internucleari tra diversi siti e funzionalità sulle superfici. Se abbinato a DNP, così come la rotazione rapida dell'angolo magico (MAS), L'NMR può essere utilizzato per rilevare tali interazioni con una sensibilità senza precedenti.

Non solo i metodi DNP-NMR hanno suscitato la posizione e la distribuzione su scala atomica dei gruppi funzionali, ma i risultati hanno smentito alcune delle nozioni esistenti su come sono fatti gli MSN e su come le diverse strategie sintetiche abbiano influenzato la dispersione dei gruppi funzionali attraverso i pori della silice.

"Esaminando il ruolo di varie condizioni sperimentali, le nostre tecniche NMR possono fornire agli scienziati l'intuizione meccanicistica di cui hanno bisogno per guidare la sintesi degli MSN in un modo più controllato", ha affermato Kobayashi.

La ricerca è ulteriormente discussa in "La distribuzione spaziale dei gruppi funzionali organici catalitici legati alla silice può ora essere rivelata dai metodi NMR a stato solido convenzionali e potenziati con DNP, " scritto da T. Kobayashi e M. Pruski; e pubblicato in Catalisi ACS .