(PhysOrg.com) - Forskare vid National Institute of Standards and Technology har gjort en sammanblandning av två mycket olika experimentella tekniker - neutronspridning och elektrokemiska mätningar - för att göra det möjligt för dem att observera strukturella förändringar i nanopartiklar när de genomgår en viktig typ av kemisk reaktion. Deras nyligen publicerade teknik tillåter dem att direkt matcha partikelstorleken, form och agglomeration med partiklarnas "redox" kemiska egenskaper. Mätningarna är viktiga både för design av nanopartiklar för särskilda applikationer och för toxikologiska studier.

Nanopartiklar presenterar unika tekniska utmaningar – och möjligheter – eftersom deras extremt lilla storlek kan ge dem fysiska egenskaper helt olik dem de har i bulkkvantiteter. Utmaningen för materialforskare är att avgöra exakt vad dessa förändringar är och hur de relaterar till partikelstorlek och struktur.

NIST-teamet var intresserade av oxidations-reduktion-redox-egenskaperna hos zinkoxidnanopartiklar, som används eller övervägs för en mängd olika tillämpningar, allt från solskyddsmedel och antibakteriella beläggningar till halvledare och fotoelektroniska enheter.

Redoxreaktioner är en av de viktigaste indelningarna av kemiska reaktioner, de som involverar en överföring av elektroner från en atom eller molekyl till en annan. Redoxegenskaper avgör vägen en kemisk reaktion kommer att ta. "De är drivkrafterna för många biologiska processer, ” förklarar NIST-materialforskaren Vivek Prabhu. "Det finns många biokemiska reaktioner som är väldefinierade oxidationsreduktionsreaktioner. Det finns tabeller över dessa. Men det finns inga sådana tabeller som vi känner till om hur nanopartiklar kan påverka dessa reaktioner."

NIST-teamet visste att de kunde övervaka storleken, form och spridning av nanopartiklar i lösning med hjälp av SANS-neutronspridning med liten vinkel. Spridningsmönstren från ett SANS-instrument, säger Prabhu, ge dig inte bara dessa detaljer utan strukturell information om själva lösningen, storleksfördelningen av partiklarna och om de klumpar ihop sig, allt i "real" tid när experimentet fortskrider.

Redoxegenskaper, å andra sidan, mäts i elektrokemiska celler som i huvudsak är hälften av ett batteri. Spänning och mängden ström som flyter genom den primära elektroden beror på reaktionens redoxpotential och koncentrationen av testmaterialet.

Problemet, Prabhu förklarar, är att SANS mäter saker i bulk, i en volym av rymden, men, "Ett elektrokemiskt experiment är ett mycket lokalt experiment - det sker vid ett gränssnitt. Vad vi behövde var att maximera gränssnittet.” Svaret, bidragit med sin partner, Vytas Reipa, är ett exotiskt material som kallas retikulerat glasartat kol. "Som en mycket styv hushållssvamp eller skursvamp gjord av rent kol, ” förklarar Prabhu. Den porösa kolelektroden visade sig vara en idealisk terminal – massor av ytarea för att fungera som reaktionsgränssnitt; nästan transparent för neutroner, så det bidrar inte med mycket bakgrundsljud; och bäst av allt, det fungerar bra i vatten, möjliggör studier av nanopartiklar i vattenlösningar, kritiska för biologiska reaktioner.

En stor fördel med "eSANS"-tekniken, Prabhu säger, är dess allmänning. "Du kan tillämpa vår metod på nästan vilket som helst dispergerat material som är av intresse för redoxkemin - polymerer, redoxproteiner, nukleinsyror – i denna nanoskala. Små polymerkedjor, till exempel. Du kan inte riktigt se dem med elektronmikroskopi, du kan med neutroner."