p (Phys.org) - As moléculas ancoradas às superfícies das nanopartículas modificam e até controlam muitas características das partículas, incluindo como eles interagem com as células ou reagem à luz. O tipo de ligação afeta o comportamento da nanopartícula e a interação com as partículas circundantes, átomos e moléculas. Infelizmente, métodos para estudar diretamente a ligação de superfície em uma interface sólido / líquido de nanopartículas têm sido elusivos, já que a interface geralmente não é acessível pela maioria das técnicas existentes. Os pesquisadores da EMSL aproveitaram os recursos instrumentais avançados, uma célula experimental especialmente projetada e modelagem teórica para deduzir com sucesso como as moléculas de ácido carboxílico - um ácido orgânico comum encontrado na natureza - se ligam a superfícies de nanopartículas de cério. p Por causa dessa pesquisa, a comunidade científica agora tem uma maneira nova e potencialmente poderosa de caracterizar as interações de nanopartículas com moléculas em uma variedade de ambientes, possivelmente estendendo-se a seus comportamentos em células vivas. Como tais interfaces "ocultas" são comuns na natureza e em nossos corpos, caracterizar e compreender a estrutura e as interações onde os líquidos e os sólidos se encontram pode acelerar o projeto de novas moléculas para resolver problemas na medicina, remediação ambiental, estudos climáticos, biocombustíveis, catalisadores e armazenamento de energia.

p O trabalho experimental foi realizado no espectrômetro vibracional de geração de soma de frequências da EMSL (SFG-VS). SFG-VS é uma espectroscopia óptica sensível que pode medir seletivamente espectros vibracionais de moléculas ligadas em superfícies com as frequências de "impressão digital" para ajudar a determinar as espécies de ligação e suas estruturas. Por causa dos desafios experimentais e da dificuldade de interpretação sem orientação teórica, SFG geralmente não foi estendido para sondar superfícies de nanopartículas enterradas em líquido. Na EMSL, uma célula óptica foi projetada para realizar experimentos in-situ usando uma janela CaF2 (que pode transmitir luz infravermelha) depositada com nanopartículas de céria em contato com solução de ácido acético. SFG-VS identificou frequências ressonantes das vibrações de ligações moleculares entre o ácido e as superfícies de céria em diferentes estados de oxidação.

p A modelagem teórica foi crucial para a identificação bem-sucedida dos vínculos. A teoria dos primeiros princípios foi usada para prever as estruturas estáveis ​​modelando várias maneiras pelas quais o ácido acético pode se ligar a locais de superfície em aglomerados de céria. As frequências ressonantes de estruturas termodinamicamente favorecidas foram calculadas para comparar com aquelas do experimento SFG-VS. Os resultados da modelagem revelaram que o ácido acético se liga de forma diferente em superfícies reduzidas de céria do que em superfícies oxidadas, de acordo com os resultados experimentais.