Advanced NMR раскрывает новые факты о структурах наночастиц

[1945900]

В лаборатории Эймса при Министерстве энергетики США усовершенствованные методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) выявили неожиданные подробности о структуре основной группы материалов в нанотехнологиях – наночастиц мезопористого диоксида кремния (МСН) – и расположении их активные химические сайты.

(Изображение предоставлено: Ames Laboratory)

MSN состоят из крошечных трехмерных упорядоченных туннелей или пор шириной всего 2–15 нм и служат опорами для органических функциональных групп, модифицированных в соответствии с широким диапазоном требований. С вероятными применениями в катализе, биосенсировании, химическом разделении и доставке лекарств, MSN являются центром интенсивных научных исследований.

«С момента создания MSN люди пытались контролировать то, как они функционируют», сказал Такеши Кобаяши, ученый по ЯМР из Отделения химических и биологических наук в лаборатории Эймса. «Исследователи исследовали эту возможность путем изменения размера и формы частиц, размера пор и размещения различных органических функциональных групп на их поверхностях для выполнения желаемых химических задач. Однако понимание результатов этих синтетических усилий может быть очень сложным ».

Ученый из лаборатории Эймса Марек Пруски пояснил, что независимо от наличия различных методов функционализации MSN; никто не знал точно, насколько они разнообразны. В частности, до недавнего времени отсутствовало описание того, как органические группы распределялись по поверхности.

Одно дело обнаружить и количественно определить эти функциональные группы или даже определить их структуру . Но выяснение их пространственного расположения создает дополнительные проблемы. Они находятся на поверхности или они частично встроены в кварцевые стенки? Они равномерно распределены по поверхности? Если существует несколько типов функций, они случайно перемешаны или образуют домены? Обычный ЯМР, как и другие аналитические методы, изо всех сил пытался дать удовлетворительные ответы на эти важные вопросы.

Марек Пруский, ученый, лаборатория Эймса

Кобаяши, Пруски и другие ученые использовали ДНП-ЯМР для получения очень яркой картины структур функционализированных МСН. «DNP» означает «динамическую ядерную поляризацию», метод, который использует микроволны для стимуляции неспаренных электронов в радикалах и смещения их высокой спиновой поляризации на ядра в тестируемом образце, предлагая значительно более высокую чувствительность, часто на два порядка, и даже большая экономия экспериментального времени.

Обычный ЯМР, который измеряет реакции ядер атомов, расположенных в магнитном поле, на прямое радиочастотное возбуждение, не обладает чувствительностью, необходимой для распознавания межъядерных взаимодействий между различными узлами и функциональными группами на поверхностях. В сочетании с DNP, а также быстрым вращением под магическим углом (MAS), ЯМР может использоваться для определения таких взаимодействий с беспрецедентной чувствительностью.

Методы DNP-ЯМР не только позволили получить расположение и распределение функциональных групп в атомном масштабе, но и результаты аннулировали некоторые из современных концепций того, как создаются MSN и как различные синтетические стратегии влияли на распределение функциональных групп. группы через поры кремнезема.

Изучая роль различных экспериментальных условий, наши методы ЯМР могут дать ученым механистическое понимание, в котором они нуждаются, чтобы направлять синтез MSN более контролируемым образом.

Такеши Кобаяши, научный сотрудник ЯМР, Отделение химических и биологических наук, лаборатория Эймса

Исследование подробно обсуждается в разделе «Пространственное распределение связанных с кремнеземом каталитических органических функциональных групп теперь может быть обнаружено обычными и усиленными DNP твердотельными методами ЯМР», авторами которых являются Т. Кобаяши и М. Пруски; и опубликовано в ACS Catalysis .

Source link