Avancerade tekniker för kärnmagnetisk resonans (NMR) vid det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory har avslöjat överraskande detaljer om strukturen hos en nyckelgrupp av material inom nanoteknologi, mesoporösa kiseldioxidnanopartiklar (MSN), och placeringen av deras aktiva kemiska platser.

MSN är bikakeformade med små (ca 2-15 nm breda) tredimensionellt ordnade tunnlar eller porer, och fungera som stöd för organiska funktionella grupper skräddarsydda för ett brett spektrum av behov. Med möjliga tillämpningar inom katalys, kemiska separationer, biosensing, och läkemedelstillförsel, MSN är i fokus för intensiv vetenskaplig forskning.

"Sedan utvecklingen av MSN, människor har försökt kontrollera hur de fungerar, " sa Takeshi Kobayashi, en NMR-forskare vid avdelningen för kemiska och biologiska vetenskaper vid Ames Laboratory. "Forskning har utforskat att göra detta genom att modifiera partikelstorlek och form, porstorlek, och genom att distribuera olika organiska funktionella grupper på deras ytor för att utföra de önskade kemiska uppgifterna. Dock, förståelse för resultaten av dessa syntetiska ansträngningar kan vara mycket utmanande."

Ames Laboratory-forskaren Marek Pruski förklarade att trots att det finns olika tekniker för MSN:s funktionalisering, ingen visste exakt hur de var olika. Särskilt, atomisk beskrivning av hur de organiska grupperna fördelade sig på ytan saknades tills nyligen.

"Det är en sak att upptäcka och kvantifiera dessa funktionella grupper, eller till och med bestämma deras struktur, ", sade Pruski. "Men att belysa deras rumsliga arrangemang innebär ytterligare utmaningar. Sitter de på ytorna eller är de delvis inbäddade i kiseldioxidväggarna? Är de jämnt fördelade på ytor? Om det finns flera typer av funktioner, är de slumpmässigt blandade eller bildar de domäner? Konventionell NMR, såväl som andra analytiska tekniker, har kämpat för att ge tillfredsställande svar på dessa viktiga frågor."

Kobayashi, Pruski, och andra forskare använde DNP-NMR för att få en mycket tydligare bild av strukturerna hos funktionaliserade MSN. "DNP" står för "dynamisk kärnpolarisering, "en metod som använder mikrovågor för att excitera oparade elektroner i radikaler och överföra deras höga spinnpolarisation till kärnorna i provet som analyseras, ger drastiskt högre känslighet, ofta i två storleksordningar, och ännu större besparingar av experimentell tid. Konventionell NMR, som mäter svaren från kärnorna av atomer placerade i ett magnetfält på direkt radiofrekvensexcitation, saknar den känslighet som behövs för att identifiera internukleära interaktioner mellan olika platser och funktionaliteter på ytor. När den paras ihop med DNP, samt snabb magisk vinkelspinning (MAS), NMR kan användas för att upptäcka sådana interaktioner med oöverträffad känslighet.

DNP-NMR-metoderna framkallade inte bara placeringen och fördelningen av de funktionella grupperna i atomskala, men resultaten motbevisade några av de existerande föreställningarna om hur MSN tillverkas och hur de olika syntetiska strategierna påverkade spridningen av funktionella grupper genom silikaporerna.

"Genom att undersöka rollen av olika experimentella förhållanden, Våra NMR-tekniker kan ge forskare den mekanistiska insikt de behöver för att styra syntesen av MSN på ett mer kontrollerat sätt", sa Kobayashi.

Forskningen diskuteras vidare i "Spatial distribution av kiseldioxidbundna katalytiska organiska funktionella grupper kan nu avslöjas med konventionella och DNP-förstärkta solid-state NMR-metoder, " författad av T. Kobayashi och M. Pruski; och publicerad i ACS-katalys .