Исследователи открывают новые возможности для характеристики взаимодействий наночастиц

Молекулы, закреплённые на поверхности наночастиц, изменяют и даже контролируют многие их характеристики, включая взаимодействие с клетками или реакцию на свет. Тип связывания влияет на поведение наночастицы и её взаимодействие с окружающими частицами, атомами и молекулами. Однако методы для прямого изучения поверхностных связей на границе раздела твёрдое тело/жидкость у наночастиц были труднодоступны, так как этот интерфейс обычно недосягаем для большинства существующих методик.

Исследователи из EMSL использовали передовые инструментальные возможности, специально разработанную экспериментальную ячейку и теоретическое моделирование, чтобы успешно определить, как молекулы карбоновой кислоты — распространённой в природе органической кислоты — связываются с поверхностью наночастиц оксида церия (CeO₂).

Теперь у научного сообщества есть новый и потенциально мощный способ характеризовать взаимодействия наночастиц с молекулами в различных средах, возможно, вплоть до их поведения в живых клетках. Поскольку такие «скрытые» границы раздела распространены в природе и в наших телах, характеристика и понимание структуры и взаимодействий на стыке жидкостей и твёрдых тел может ускорить разработку новых молекул для решения проблем в медицине, восстановлении окружающей среды, климатических исследованиях, биотопливе, катализе и накоплении энергии.

Эксперимент и теория

Экспериментальная работа была выполнена на спектрометре SFG-VS (sum-frequency generation vibrational spectrometer) в EMSL. SFG-VS — это чувствительная оптическая спектроскопия, которая может избирательно измерять колебательные спектры молекул, связанных на поверхностях, по «отпечаткам пальцев» частот, помогая определить вид связывания и структуры.

Для проведения экспериментов in situ была разработана оптическая ячейка с окном из CaF₂ (пропускающим инфракрасный свет), на которое были нанесены наночастицы оксида церия, контактирующие с раствором уксусной кислоты. SFG-VS идентифицировал резонансные частоты колебаний молекулярных связей между кислотой и поверхностью оксида церия в разных степенях окисления.

Теоретическое моделирование было ключевым для успешной идентификации связей. Теория первых принципов использовалась для предсказания стабильных структур путём моделирования различных способов связывания уксусной кислоты с поверхностными сайтами на кластерах оксида церия. Резонансные частоты термодинамически выгодных структур были рассчитаны для сравнения с результатами эксперимента SFG-VS.

Результаты моделирования показали, что уксусная кислота связывается по-разному на восстановленных и окисленных поверхностях оксида церия, что согласуется с экспериментальными данными.