(PhysOrg.com) - Ett team av forskare ledda av en kemist från Penn State University har visat styrkorna och svagheterna hos en alternativ metod för molekylär djupprofilering - en teknik som används för att analysera ytan av ultratunna material som mänsklig vävnad , nanopartiklar, och andra ämnen. I den nya studien, forskarna använde datorsimuleringar och modellering för att visa effektiviteten och begränsningarna hos den alternativa metoden, som används av en forskargrupp i Taiwan. De nya resultaten av datorsimulering kan hjälpa framtida forskare att välja när de ska använda den nya metoden för att analysera hur och var specifika molekyler är fördelade över ytskikten av ultratunna material. Forskningen kommer att publiceras i Journal of Physical Chemistry Letters.

Teamledare Barbara Garrison, Shapiro professor i kemi och chef för avdelningen för kemi vid Penn State University, förklarade att bombardering av ett material med buckyballs - ihåliga molekyler som består av 60 kolatomer som formas till en sfärisk form som liknar en fotboll - är ett effektivt sätt för molekylär djupprofilering. Namnet, "buckyball, "är en hyllning till en amerikansk ingenjör från början av 1900-talet, Buckminster Fuller, vars design av en geodetisk kupol mycket liknar den fotbollsbollformade 60-kolmolekylen. "Forskare kom på för några år sedan att buckyballs kunde användas för att profilera djup i molekylär skala mycket effektivt, Garrison förklarade. "Buckyballs är mycket större och tjockare än avståndet mellan molekylerna vid ytan av materialet som studeras, så när buckyballs träffar ytan, de tenderar att bryta upp det på ett sätt som gör att vi kan titta in i det fasta ämnet och faktiskt se vilka molekyler som är ordnade var. Vi kan se, till exempel, att ett lager är sammansatt av en sorts molekyl och nästa lager är sammansatt av en annan sorts molekyl, liknande sättet som en meteor skapar en krater som exponerar berg under ytan."

Garrison och hennes kollegor bestämde sig för att använda datormodellering för att testa effektiviteten av ett alternativt tillvägagångssätt som en annan forskargrupp hade använt. Den andra gruppen hade använt inte bara stora, buckyballs med hög energi för att bombardera en yta, men också en annan mindre, lågenergi kemiskt element -- argon -- i processen. "I våra datorsimuleringar, vi modellerade bombarderingen av ytor först med högenergi-buckyballs och sedan senare, med argonatomer med låg energi, sa Garrison.

Garnisons grupp fann att, med buckyball bombardement ensam i betesvinklar, slutresultatet är en mycket grov yta med många dalar och åsar i en riktning. "I många fall, detta tillvägagångssätt fungerar bra för djupprofilering. Dock, i andra fall, Att använda buckyballs enbart ger en ojämn yta att utföra molekylär djupprofilering på eftersom molekylerna kan fördelas ojämnt över topparna och dalarna, Garrison förklarade. "I dessa fall, när lågenergi argon bombardemang läggs till processen, resultatet blir mycket jämnare, slätare yta, som, i tur och ordning, ger ett bättre område att göra analyser av molekylära arrangemang på. I dessa fall, forskare kan få en tydligare bild av de många lagren av molekyler och exakt vilka molekyler som utgör varje lager."

Dock, Garrisons team drog också slutsatsen att argon måste ha tillräckligt låg energi för att undvika ytterligare skador på molekylerna som profileras. "Enligt våra simuleringar, Summan av kardemumman är att de buckyball-förhållanden som den andra forskargruppen använde inte är de bästa för djupprofilering; Således, sambombning med lågenergiargon hjälpte processen, " sa Garnison. "Det vill säga, sambombningsmetoden fungerar bara i vissa mycket specifika fall. Vi tror inte att argon med låg energi kommer att hjälpa i fall där buckyballs har tillräckligt hög energi." Garrison tillade att tidigare forskare hade försökt använda mindre, enklare atomprojektiler på hög nivå, snarare än låga energier, men dessa projektiler tenderade att helt enkelt tränga djupt ner i ytan, utan att ge forskarna en klar bild av arrangemanget och identiteten av molekylerna under.

Garrison sa att molekylär djupprofilering är en avgörande aspekt av många kemiska experiment och dess tillämpningar är långtgående. Till exempel, molekylär djupprofilering är ett sätt att komma runt utmaningarna med att arbeta med något så litet och intrikat som en biologisk cell. En cell består av tunna lager av olika material, men det är svårt att skära i något så litet för att analysera sammansättningen av dessa superfina lager. Dessutom, molekylär djupprofilering kan användas för att analysera andra typer av mänsklig vävnad, såsom hjärnvävnad - en process som kan hjälpa forskare att förstå neurologiska sjukdomar och skador. I framtiden, molekylär djupprofilering kan också användas för att studera nanopartiklar - extremt små föremål med dimensioner på mellan 1 och 10 nanometer, endast synlig med ett elektronmikroskop. Eftersom nanopartiklar redan används experimentellt som läkemedelslevereringssystem, en detaljerad analys av deras egenskaper med hjälp av molekylär djupprofilering skulle kunna hjälpa forskare att testa effektiviteten hos läkemedelsleveranssystemen.