(PhysOrg.com) -- Des chercheurs de l'Institut national des normes et de la technologie ont combiné deux techniques expérimentales très différentes - la diffusion des neutrons et les mesures électrochimiques - pour leur permettre d'observer les changements structurels des nanoparticules lorsqu'elles subissent un type important de réaction chimique. Leur technique récemment publiée leur permet de faire correspondre directement la taille des particules, forme et agglomération avec les propriétés chimiques « redox » des particules. Les mesures sont importantes à la fois pour la conception de nanoparticules pour des applications particulières et pour les études de toxicologie.

Les nanoparticules présentent des défis techniques et des opportunités uniques, car leur taille extrêmement petite peut leur conférer des propriétés physiques très différentes de celles qu'elles possèdent en grande quantité. Le défi pour les scientifiques des matériaux est de déterminer exactement quels sont ces changements et comment ils sont liés à la taille et à la structure des particules.

L'équipe du NIST s'est intéressée aux propriétés d'oxydoréduction – redox – des nanoparticules d'oxyde de zinc, qui sont utilisés ou envisagés pour une grande variété d'applications allant des écrans solaires et des revêtements antibactériens aux dispositifs semi-conducteurs et photoélectroniques.

Les réactions d'oxydoréduction sont l'une des divisions majeures des réactions chimiques, ceux qui impliquent un transfert d'électrons d'un atome ou d'une molécule à un autre. Les propriétés redox déterminent le chemin que prendra une réaction chimique. « Ils sont les moteurs de nombreux processus biologiques, », explique Vivek Prabhu, chercheur en matériaux au NIST. « Il existe de nombreuses réactions biochimiques qui sont des réactions d'oxydoréduction bien définies. Il y a des tableaux de ceux-ci. Mais nous ne connaissons pas de tels tableaux sur la façon dont les nanoparticules peuvent affecter ces réactions. »

L'équipe du NIST savait qu'elle pouvait surveiller la taille, forme et dispersion de nanoparticules en solution à l'aide de SANS—diffusion de neutrons aux petits angles. Les motifs de diffusion d'un instrument SANS, dit Prabhu, vous donner non seulement ces détails, mais des informations structurelles sur la solution elle-même, la distribution granulométrique des particules et si elles s'agglutinent, le tout en temps « réel » au fur et à mesure que l'expérience progresse.

Propriétés redox, d'autre part, sont mesurés dans des cellules électrochimiques qui sont essentiellement la moitié d'une batterie. La tension et la quantité de courant traversant l'électrode primaire dépendent du potentiel redox de réaction et de la concentration du matériau d'essai.

Le problème, Prabhu explique, est que SANS mesure les choses en vrac, dans un volume d'espace, mais, « Une expérience électrochimique est une expérience très locale, elle se déroule à une interface. Ce dont nous avions besoin, c'était de maximiser l'interface. apporté par son partenaire, Vytas Reipa, est un matériau exotique appelé carbone vitreux réticulé. « Comme une éponge ménagère très rigide ou un tampon à récurer en carbone pur, », explique Prabhu. L'électrode de carbone poreuse s'est avérée être une borne idéale :beaucoup de surface pour servir d'interface de réaction; presque transparent aux neutrons, il ne contribue donc pas beaucoup au bruit de fond ; et le meilleur de tous, ça marche bien dans l'eau, permettant l'étude des nanoparticules en solution aqueuse, critique pour les réactions biologiques.

Un gros avantage de la technique « eSANS », Prabhu dit, est sa généralité. « Vous pouvez appliquer notre méthode à presque tous les matériaux dispersés présentant un intérêt pour la chimie redox :polymères, protéines redox, acides nucléiques—à cette échelle nanométrique. Petites chaînes polymères, par exemple. Vous ne pouvez pas vraiment les voir en microscopie électronique, vous pouvez avec des neutrons.