Onderzoekers hebben een nieuwe chemische benadering geïdentificeerd die microverontreinigingen uit het milieu kan verwijderen.

Microverontreinigingen zijn biologische of chemische verontreinigingen die in sporenhoeveelheden in het grond- en oppervlaktewater terechtkomen.

Met behulp van een baanbrekende beeldvormingstechniek, Cornell University-onderzoekers verkregen een momentopname met hoge resolutie van hoe liganden, moleculen die binden aan andere moleculen of metalen, interageren met het oppervlak van nanodeeltjes. Daarbij, ze deden een onverwachte doorbraak ontdekking. Ze stelden vast dat door de concentratie van een individueel ligand te variëren, ze ook de vorm van het deeltje dat eraan vastzat konden regelen.

Deze aanpak kan resulteren in een scala aan dagelijkse toepassingen, inclusief het ontwikkelen van chemische sensoren die op een zeer laag niveau gevoelig zijn voor een specifieke chemische stof in de omgeving.

"Het werk van professor Peng Chen zorgt voor diepgaande inzichten in moleculaire adsorptieprocessen, wat belangrijk is om te begrijpen voor het ontwerpen van moleculaire sensoren, katalysatoren, en regelingen om microverontreinigingen in het milieu op te ruimen, " zei dr. James Parker, programma manager, US Army Combat Capabilities Development Command, bekend als DEVCOM, Leger onderzoekslaboratorium. "Dit onderzoek is ook belangrijk voor het ontwerpen en ontwikkelen van op prikkels reagerende materialen met een gespecialiseerde functie die niet in reguliere, bulkmaterialen."

Het onderzoek, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , bestudeerde interacties van liganden en kreeg nieuw inzicht in de sterkte, of affiniteit van ligandadsorptie en hoe meerdere liganden samenwerken, of niet, met elkaar.

"Wanneer het molecuul adsorbeert op het oppervlak van een materiaal op nanoschaal, het beschermt ook daadwerkelijk het oppervlak en maakt het stabieler, " zei Dr. Peng Chen, de Peter J. W. Debye hoogleraar scheikunde aan het College of Arts and Sciences aan de Cornell University, die het onderzoek leidde. "Dit kan worden gebruikt om te bepalen hoe deeltjes op nanoschaal groeien en hun uiteindelijke vorm krijgen. En we ontdekten dat we dit met slechts één ligand kunnen doen. Je doet geen andere truc. Je verlaagt gewoon de concentratie of verhoogt de concentratie, en je kunt de vorm veranderen."

Begrijpen hoe liganden interageren met het oppervlak van nanodeeltjes was een uitdaging om te bestuderen. Geadsorbeerde liganden zijn moeilijk te identificeren omdat er andere moleculen in de mix zitten, en nanodeeltjesoppervlakken zijn ongelijk en veelzijdig, wat betekent dat ze een ongelooflijk hoge ruimtelijke resolutie nodig hebben om onderzocht te worden.

De grootte en oppervlaktestructuren van een nanodeeltje, of facetten, zijn intrinsiek verbonden met de mogelijke toepassingen van het deeltje. Hoe groter het deeltje, hoe meer atomen erin passen, terwijl kleinere deeltjes intern minder beschikbare ruimte hebben, maar een grotere oppervlaktevolumeverhouding voor atomen om bovenop te zitten, waar ze kunnen worden gebruikt voor processen zoals katalyse en adsorptie. De verschillende soorten structuren die de atomen en moleculen vormen op deze oppervlaktefacetten zijn direct gecorreleerd met de vorm van het deeltje.

Wetenschappers hebben verschillende beeldvormingsmethoden gebruikt om deze deeltjes te onderzoeken, maar tot nu toe, ze zijn niet in staat geweest om nanometerresolutie te verkrijgen om de hoeken en gaten van de meerdere oppervlaktefacetten echt te verkennen en de affiniteit te kwantificeren, of kracht, van de adsorptie van een ligand. Het onderzoeksteam was in staat om precies dat te doen door gebruik te maken van een methode die ze zelf hebben bedacht, genaamd COMPetition Enabled Imaging Technique with Super-Resolution of COMPEITS.

Het proces werkt door een molecuul te introduceren dat reageert met het deeltjesoppervlak en een fluorescerende reactie genereert. Een niet-fluorescerend molecuul wordt vervolgens gestuurd om aan het oppervlak te binden, waar zijn reactie concurreert met het fluorescerende signaal. De resulterende afname in fluorescentie, in wezen een negatief beeld creëren, kan vervolgens worden gemeten en in kaart worden gebracht met een superhoge resolutie.

Met COMPEITS op een gouden nanodeeltje, het team was in staat om de sterkte van ligandadsorptie te kwantificeren, en ze ontdekten dat het gedrag van liganden zeer divers kan zijn. liganden, het blijkt, zijn een soort van mooiweervrienden, op sommige sites werken ze samen om elkaar te helpen adsorberen, maar op andere locaties kunnen ze elkaars inspanningen belemmeren. De onderzoekers ontdekten ook dat deze positieve en negatieve samenwerking soms op dezelfde locatie bestaat.

In aanvulling, de onderzoekers ontdekten dat de oppervlaktedichtheid van geadsorbeerde liganden kan bepalen welk facet dominant is. Deze cross-over inspireerde het team om de concentraties van individuele liganden te variëren als een manier om de vorm van het deeltje zelf af te stemmen.

"Voor ons, dit heeft meer mogelijkheden geopend, " zei Chen. "Bijvoorbeeld, een manier om microverontreinigingen te verwijderen, zoals pesticiden, uit de omgeving is om micro-porties op het oppervlak van een adsorberend deeltje te adsorberen. Nadat het is geadsorbeerd op het oppervlak van het deeltje, als het deeltje een katalysator is, het kan de vernietiging van de microverontreinigingen katalyseren."