(PhysOrg.com) -- Une équipe de scientifiques dirigée par un chimiste de la Penn State University a démontré les forces et les faiblesses d'une méthode alternative de profilage de la profondeur moléculaire -- une technique utilisée pour analyser la surface de matériaux ultra-minces tels que les tissus humains , nanoparticules, et d'autres substances. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques et des modélisations pour montrer l'efficacité et les limites de la méthode alternative, qui est utilisé par un groupe de recherche à Taiwan. Les nouveaux résultats de la simulation informatique pourraient aider les futurs chercheurs à choisir quand utiliser la nouvelle méthode d'analyse de la manière et de l'endroit où des molécules particulières sont distribuées dans les couches de surface des matériaux ultra-minces. La recherche sera publiée dans le Journal des lettres de chimie physique.

Chef d'équipe Barbara Garrison, le professeur de chimie Shapiro et le chef du département de chimie de la Penn State University, a expliqué que bombarder un matériau avec des buckyballs - des molécules creuses composées de 60 atomes de carbone qui sont formées en une forme sphérique ressemblant à un ballon de football - est un moyen efficace de profilage de la profondeur moléculaire. Le nom, "buckyball, " est un hommage à un ingénieur américain du début du XXe siècle, Buckminster Fuller, dont la conception d'un dôme géodésique ressemble de très près à la molécule de 60 carbones en forme de ballon de football. "Les chercheurs ont découvert il y a quelques années que les buckyballs pouvaient être utilisés pour profiler très efficacement les profondeurs à l'échelle moléculaire, " expliqua Garrison. " Les buckyballs sont beaucoup plus gros et plus gros que l'espacement entre les molécules à la surface du matériau étudié, alors quand les buckyballs touchent la surface, ils ont tendance à le briser d'une manière qui nous permet de regarder à l'intérieur du solide et de voir réellement quelles molécules sont disposées où. Nous pouvons voir, par exemple, qu'une couche est composée d'un type de molécule et que la couche suivante est composée d'un autre type de molécule, semblable à la façon dont un météore crée un cratère qui expose des couches de roche souterraines. »

Garrison et ses collègues ont décidé d'utiliser la modélisation informatique pour tester l'efficacité d'une approche alternative qu'un autre groupe de recherche utilisait. L'autre groupe avait utilisé non seulement de grandes, des buckyballs à haute énergie pour bombarder une surface, mais aussi un autre plus petit, élément chimique à faible énergie - l'argon - dans le processus. "Dans nos simulations informatiques, nous avons modélisé le bombardement des surfaces d'abord avec des buckyballs à haute énergie puis plus tard, avec des atomes d'argon de basse énergie, ", a déclaré la garnison.

Le groupe de Garrison a découvert que, avec un bombardement au buckyball seul à des angles rasants, le résultat final est une surface très rugueuse avec de nombreux creux et arêtes dans une direction. « Dans de nombreux cas, cette approche fonctionne bien pour le profilage en profondeur. Cependant, dans d'autres cas, l'utilisation de buckyballs seules crée une surface bosselée sur laquelle effectuer le profilage de la profondeur moléculaire, car les molécules peuvent être réparties de manière inégale à travers les pics et les vallées, " expliqua Garrison. " Dans ces cas, lorsqu'un bombardement à l'argon à faible énergie est ajouté au processus, le résultat est beaucoup plus uniforme, surface plus lisse, lequel, à son tour, fait une meilleure zone sur laquelle faire des analyses de l'arrangement moléculaire. Dans ces cas, les chercheurs peuvent obtenir une image plus claire des nombreuses couches de molécules et exactement quelles molécules composent chaque couche. »

Cependant, L'équipe de Garrison a également conclu que l'argon doit être suffisamment faible en énergie afin d'éviter d'endommager davantage les molécules en cours de profilage. « D'après nos simulations, l'essentiel est que les conditions buckyball utilisées par l'autre groupe de recherche ne sont pas les meilleures pour le profilage en profondeur; Donc, le co-bombardement avec de l'argon à basse énergie a aidé le processus, " dit Garrison. " C'est-à-dire, la méthode du co-bombardement ne fonctionne que dans certains cas très spécifiques. Nous ne pensons pas que l'argon à faible énergie aidera dans les cas où les buckyballs sont à des énergies suffisamment élevées. projectiles atomiques plus simples à haute, plutôt que les basses énergies, mais ces projectiles avaient tendance à simplement pénétrer profondément dans la surface, sans donner aux scientifiques une vision claire de l'arrangement et de l'identité des molécules sous-jacentes.

Garrison a déclaré que le profilage de la profondeur moléculaire est un aspect crucial de nombreuses expériences chimiques et que ses applications sont de grande envergure. Par exemple, le profilage de la profondeur moléculaire est un moyen de contourner les défis liés au travail avec quelque chose d'aussi petit et complexe qu'une cellule biologique. Une cellule est composée de fines couches de matériaux distincts, mais il est difficile de découper quelque chose d'aussi petit pour analyser la composition de ces couches super fines. En outre, le profilage de profondeur moléculaire peut être utilisé pour analyser d'autres types de tissus humains, comme le tissu cérébral - un processus qui pourrait aider les chercheurs à comprendre les maladies et les blessures neurologiques. À l'avenir, le profilage de la profondeur moléculaire pourrait également être utilisé pour étudier les nanoparticules - des objets extrêmement petits avec des dimensions comprises entre 1 et 10 nanomètres, visible uniquement au microscope électronique. Étant donné que les nanoparticules sont déjà utilisées expérimentalement comme systèmes d'administration de médicaments, une analyse détaillée de leurs propriétés à l'aide du profilage de profondeur moléculaire pourrait aider les chercheurs à tester l'efficacité des systèmes d'administration de médicaments.