Lille molekyle spiller en stor rolle i at kontrollere nanopartikler

Ligander er meget som nanostørrelser, binding til mange slags overflader. Denne form for adsorption er afgørende for en række kemiske processer, fra oprensning og katalyse til design af nanomaterialer.

Imidlertid, at forstå, hvordan ligander interagerer med overfladen af ​​nanopartikler, har været en udfordring at studere. Adsorberede ligander er svære at identificere, fordi der er andre molekyler i blandingen, og nanopartikeloverflader er ujævne og mangefacetterede, hvilket betyder, at de kræver en utrolig høj rumlig opløsning for at blive gransket.

Cornell-forskere ledet af Peng Chen, Peter J.W. Debye professor i kemi ved College of Arts and Sciences, har brugt en banebrydende billedbehandlingsteknik, som de var banebrydende i 2019 for at få et øjebliksbillede i høj opløsning af disse overfladeinteraktioner og opnå ny forståelse af styrken, eller affinitet, af ligandadsorption samt hvordan flere ligander samarbejder – eller ikke gør – med hinanden.

Dette førte til en uventet opdagelse:Ved at variere koncentrationen af ​​en individuel ligand, forskerne fandt ud af, at de kan kontrollere formen på den partikel, den opbevarede ombord - en tilgang, der kunne resultere i en række daglige anvendelser, såsom fjernelse af mikroforurenende stoffer fra miljøet.

"Når molekylet adsorberer på overfladen af ​​et materiale i nanoskala, det beskytter faktisk også overfladen og gør den mere stabil, " sagde Chen. "Og dette kan bruges til at kontrollere, hvordan partikler i nanoskala vokser og bliver deres endelige form. Og vi fandt ud af, at vi kan gøre dette med kun én ligand. Du laver ikke noget andet trick. Du mindsker bare koncentrationen eller øger koncentrationen, og du kan ændre formen."

Gruppens papir, "Kooperativ adsorption i nanoskala til materialekontrol, " udgivet 13. juli i Naturkommunikation . Hovedforfatterne er postdoktorale forskere Rong Ye, en præsidentiel postdoc-stipendiat, og Ming Zhao.

En nanopartikels størrelse og overfladestrukturer, eller facetter, er uløseligt knyttet til partiklens potentielle anvendelser. Jo større partikel, jo flere atomer der passer ind i det, mens mindre partikler har mindre ledig plads internt, men et større overfladevolumenforhold for atomer at sidde ovenpå, hvor de kan bruges til processer som katalyse og adsorption. De forskellige typer strukturer atomerne og molekylerne danner på disse overfladefacetter er direkte korreleret med partiklens form.

Forskere har brugt flere billeddannelsesmetoder til at undersøge disse partikler, men de har ikke været i stand til at opnå nanometeropløsning til virkelig at udforske afkrogene af de mange overfladefacetter og kvantificere affiniteten af ​​en ligands adsorption. Chens team var i stand til at gøre netop det ved at bruge en metode, de udtænkte, kaldet COMPEITS – en forkortelse for COMPETition Enabled Imaging Technique with Super-Resolution.

Processen fungerer ved at indføre et molekyle, der reagerer med partikeloverfladen og fluorescerer. Et ikke-fluorescerende molekyle sendes derefter for at binde sig til overfladen, hvor dens reaktion konkurrerer med det fluorescerende signal. Det resulterende fald i fluorescens - i det væsentlige skaber et negativt billede - kan derefter måles og kortlægges med super høj opløsning.

Brug af KONKURRENCER på en guld nanopartikel, holdet var i stand til at kvantificere styrken af ​​ligandadsorption, og de opdagede, hvor forskellig ligandadfærd kan være. Ligander, det viser sig, er en slags venner i godt vejr:På nogle steder, de samarbejder for at hjælpe hinanden med at adsorbere; hos andre, de kan forringe hinandens indsats. Chens team opdagede også, at nogle gange eksisterer denne positive og negative samarbejdsvilje på samme sted.

Ud over, forskerne lærte, at overfladedensiteten af ​​adsorberede ligander kan bestemme, hvilken facet der er dominerende. Denne "crossover" inspirerede holdet til at variere koncentrationerne af individuelle ligander som en måde at tune formen på selve partiklen.

"For os, dette har åbnet flere muligheder, " sagde Chen. "F.eks. en måde at fjerne mikroforurenende stoffer på, såsom pesticider, fra miljøet er at adsorbere mikroportioner på overfladen af ​​nogle adsorberende partikler. Efter at det er adsorberet på overfladen af ​​partiklen, hvis partiklen er en katalysator, det kan katalysere ødelæggelsen af ​​mikroforurenende stoffer."

Forskningen blev primært støttet af Hærens Forskningskontor, et element af U.S. Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory.

"Professor Peng Chens arbejde giver mulighed for dyb indsigt i molekylære adsorptionsprocesser, hvilket er vigtigt at forstå for at designe molekylære sensorer, katalysatorer og ordninger til at rense mikroforurenende stoffer i miljøet, " sagde James Parker, programleder hos Hærens Forskningskontor. "Denne forskning er også vigtig for at designe og konstruere stimuli-responsive materialer med specialiseret funktion, som ikke kunne findes i almindelige, bulkmaterialer."