Les techniques avancées de résonance magnétique nucléaire (RMN) du laboratoire Ames du département de l'Énergie des États-Unis ont révélé des détails surprenants sur la structure d'un groupe clé de matériaux en nanotechnologie, nanoparticules de silice mésoporeuses (MSN), et le placement de leurs sites chimiques actifs.

Les MSN sont en nid d'abeille avec de minuscules tunnels ou pores tridimensionnels (environ 2 à 15 nm de large), et servir de support à des groupes fonctionnels organiques adaptés à un large éventail de besoins. Avec des applications possibles en catalyse, séparations chimiques, biodétection, et l'administration de médicaments, Les MSN font l'objet d'intenses recherches scientifiques.

« Depuis le développement des MSN, les gens ont essayé de contrôler leur façon de fonctionner, " dit Takeshi Kobayashi, un scientifique en RMN de la Division des sciences chimiques et biologiques du Laboratoire Ames. « La recherche a exploré cette possibilité en modifiant la taille et la forme des particules, taille des pores, et en déployant divers groupes fonctionnels organiques sur leurs surfaces pour accomplir les tâches chimiques souhaitées. Cependant, la compréhension des résultats de ces efforts de synthèse peut être très difficile."

Le scientifique du laboratoire Ames, Marek Pruski, a expliqué que malgré l'existence de différentes techniques pour la fonctionnalisation des MSN, personne ne savait exactement en quoi ils étaient différents. En particulier, la description à l'échelle atomique de la façon dont les groupes organiques étaient distribués à la surface manquait jusqu'à récemment.

"C'est une chose de détecter et de quantifier ces groupes fonctionnels, voire déterminer leur structure, " a déclaré Pruski. "Mais élucider leur disposition spatiale pose des défis supplémentaires. Résident-ils sur les surfaces ou sont-ils en partie incrustés dans les parois de silice ? Sont-ils uniformément répartis sur les surfaces ? S'il existe plusieurs types de fonctionnalités, sont-ils mélangés au hasard ou forment-ils des domaines ? RMN conventionnelle, ainsi que d'autres techniques d'analyse, ont lutté pour fournir des réponses satisfaisantes à ces questions importantes. »

Kobayashi, Pruski, et d'autres chercheurs ont utilisé la DNP-RMN pour obtenir une image beaucoup plus claire des structures des MSN fonctionnalisés. "DNP" signifie "polarisation nucléaire dynamique, " une méthode qui utilise des micro-ondes pour exciter des électrons non appariés en radicaux et transférer leur polarisation de spin élevée aux noyaux de l'échantillon analysé, offrant une sensibilité considérablement plus élevée, souvent de deux ordres de grandeur, et encore plus d'économies de temps d'expérimentation. RMN conventionnelle, qui mesure les réponses des noyaux d'atomes placés dans un champ magnétique à une excitation radiofréquence directe, n'a pas la sensibilité nécessaire pour identifier les interactions internucléaires entre différents sites et fonctionnalités sur les surfaces. Lorsqu'il est associé à DNP, ainsi que la rotation rapide de l'angle magique (MAS), La RMN peut être utilisée pour détecter de telles interactions avec une sensibilité sans précédent.

Non seulement les méthodes DNP-RMN ont permis d'obtenir la localisation et la distribution à l'échelle atomique des groupes fonctionnels, mais les résultats ont réfuté certaines des notions existantes sur la façon dont les MSN sont fabriqués et comment les différentes stratégies de synthèse ont influencé la dispersion des groupes fonctionnels à travers les pores de silice.

« En examinant le rôle de diverses conditions expérimentales, nos techniques de RMN peuvent donner aux scientifiques les connaissances mécaniques dont ils ont besoin pour guider la synthèse des MSN de manière plus contrôlée », a déclaré Kobayashi.

La recherche est discutée plus en détail dans "La distribution spatiale des groupes fonctionnels organiques catalytiques liés à la silice peut maintenant être révélée par des méthodes RMN à l'état solide conventionnelles et améliorées par le DNP, " écrit par T. Kobayashi et M. Pruski; et publié dans Catalyse ACS .