(Phys.org) —Les molécules ancrées à la surface des nanoparticules modifient et même contrôlent de nombreuses caractéristiques des particules, y compris comment ils interagissent avec les cellules ou réagissent à la lumière. Le type de liaison affecte le comportement de la nanoparticule et son interaction avec les particules environnantes, atomes et molécules. Malheureusement, les méthodes pour étudier directement la liaison de surface à une interface solide/liquide de nanoparticules ont été insaisissables, car l'interface n'est généralement pas accessible par la plupart des techniques existantes. Les chercheurs de l'EMSL ont profité de capacités instrumentales avancées, une cellule expérimentale spécialement conçue et une modélisation théorique pour déduire avec succès la façon dont les molécules d'acide carboxylique - un acide organique commun trouvé dans la nature - se lient aux surfaces des nanoparticules d'oxyde de cérium.

En raison de cette recherche, la communauté scientifique dispose désormais d'un moyen nouveau et potentiellement puissant pour caractériser les interactions des nanoparticules avec des molécules dans une gamme d'environnements, s'étendant éventuellement à leurs comportements dans les cellules vivantes. De telles interfaces « cachées » sont courantes dans la nature et dans notre corps, caractériser et comprendre la structure et les interactions où les liquides et les solides se rencontrent peut accélérer la conception de nouvelles molécules pour résoudre des problèmes en médecine, assainissement de l'environnement, études climatiques, biocarburants, catalyseurs et stockage d'énergie.

Les travaux expérimentaux ont été réalisés sur le spectromètre vibrationnel à génération de fréquence somme (SFG-VS) de l'EMSL. SFG-VS est une spectroscopie optique sensible qui peut mesurer sélectivement les spectres vibrationnels de molécules liées sur des surfaces avec les fréquences "d'empreintes digitales" pour aider à déterminer les espèces de liaison et leurs structures. En raison des défis expérimentaux et de la difficulté d'interprétation sans orientation théorique, Le SFG n'a généralement pas été étendu pour sonder les surfaces de nanoparticules enfouies dans un liquide. A l'EMSL, une cellule optique a été conçue pour réaliser des expériences in-situ à l'aide d'une fenêtre CaF2 (pouvant transmettre la lumière infrarouge) déposée avec des nanoparticules d'oxyde de cérium au contact d'une solution d'acide acétique. SFG-VS a identifié les fréquences de résonance des vibrations des liaisons moléculaires entre l'acide et les surfaces cérine dans différents états d'oxydation.

La modélisation théorique était cruciale pour l'identification réussie des obligations. La théorie des premiers principes a été utilisée pour prédire les structures stables en modélisant diverses façons dont l'acide acétique peut se lier aux sites de surface sur les amas d'oxyde de cérium. Les fréquences de résonance des structures thermodynamiquement favorisées ont été calculées pour être comparées à celles de l'expérience SFG-VS. Les résultats de la modélisation ont révélé que l'acide acétique se lie différemment sur les surfaces réduites de l'oxyde de cérium que sur les surfaces oxydées, en accord avec les résultats expérimentaux.