(Phys.org) —Molekyler som är förankrade på ytorna på nanopartiklar modifierar och kontrollerar till och med många egenskaper hos partiklarna, inklusive hur de interagerar med celler eller reagerar på ljus. Bindningstypen påverkar nanopartikelns beteende och interaktion med omgivande partiklar, atomer och molekyler. Tyvärr, metoder för att direkt studera ytbindningen vid en nanopartikel fast/flytande gränssnitt har varit svårfångade, eftersom gränssnittet vanligtvis inte är tillgängligt med de flesta befintliga tekniker. Forskare vid EMSL utnyttjade avancerade instrumentella möjligheter, en specialdesignad experimentell cell och teoretisk modellering för att framgångsrikt härleda hur molekyler av karboxylsyra - en vanlig organisk syra som finns i naturen - binder till ceria nanopartikelytor.

På grund av denna forskning, det vetenskapliga samfundet har nu ett nytt och potentiellt kraftfullt sätt att karakterisera nanopartiklarnas interaktioner med molekyler i en rad miljöer, möjligen sträcker sig till deras beteenden i levande celler. Eftersom sådana "dolda" gränssnitt är vanliga i naturen och i våra kroppar, karakterisera och förstå strukturen och interaktioner där vätskor och fasta ämnen möts kan påskynda utformningen av nya molekyler för att lösa problem inom medicin, miljösanering, klimatstudier, biobränslen, katalysatorer och energilagring.

Det experimentella arbetet utfördes på EMSL:s sumfrekvensgenerationsvibrationsspektrometer (SFG-VS). SFG-VS är en känslig optisk spektroskopi som selektivt kan mäta vibrationsspektra för molekyler bundna på ytor med "fingeravtrycksfrekvenserna" för att bestämma bindningsarterna och deras strukturer. På grund av experimentella utmaningar och svårigheten att tolka utan teoretisk vägledning, SFG har vanligtvis inte utvidgats för att undersöka ytor av nanopartiklar begravda i vätska. På EMSL, en optisk cell utformades för att utföra experiment på plats med hjälp av ett CaF2-fönster (som kan överföra infrarött ljus) deponerat med ceria nanopartiklar i kontakt med ättiksyra-lösning. SFG-VS identifierade resonansfrekvenser för vibrationerna av molekylära bindningar mellan syran och ceriaytorna i olika oxidationstillstånd.

Teoretisk modellering var avgörande för framgångsrik identifiering av bindningarna. Första principens teori användes för att förutsäga de stabila strukturerna genom att modellera olika sätt som ättiksyra kan binda till ytställen på ceria-kluster. Resonansfrekvenserna för termodynamiskt gynnade strukturer beräknades för att jämföra med dem från SFG-VS-experimentet. Modelleringsresultat visade att ättiksyra binder annorlunda på reducerade ceriumytor än på oxiderade ytor, i enlighet med experimentella resultat.