Liganden lijken veel op zeepokken van nanoformaat, binden aan vele soorten oppervlakken. Deze vorm van adsorptie is cruciaal voor een reeks chemische processen, van zuivering en katalyse tot het ontwerpen van nanomaterialen.

Echter, 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.

Cornell-onderzoekers onder leiding van Peng Chen, de Peter J. W. Debye hoogleraar scheikunde aan de Hogeschool voor de Kunsten en Wetenschappen, hebben een baanbrekende beeldvormingstechniek gebruikt die ze in 2019 hebben gepionierd om een ​​momentopname met hoge resolutie van deze oppervlakte-interacties te verkrijgen en nieuw inzicht te krijgen in de kracht, of affiniteit, van ligandadsorptie en hoe meerdere liganden met elkaar samenwerken - of niet -.

Dit leidde tot een onverwachte ontdekking:door de concentratie van een individueel ligand te variëren, de onderzoekers ontdekten dat ze de vorm van het deeltje dat het aan boord had opgeborgen, konden bepalen - een benadering die zou kunnen resulteren in een reeks dagelijkse toepassingen, zoals het verwijderen van microverontreinigingen uit het milieu.

"Wanneer het molecuul adsorbeert op het oppervlak van een materiaal op nanoschaal, het beschermt ook daadwerkelijk het oppervlak en maakt het stabieler, " zei Chen. "En dit kan worden gebruikt om te bepalen hoe deeltjes op nanoschaal groeien en hun uiteindelijke vorm worden. En we ontdekten dat we dit kunnen doen met slechts één ligand. Je doet geen andere truc. Je verlaagt gewoon de concentratie of verhoogt de concentratie, en je kunt de vorm veranderen."

Het blad van de groep, "Coöperatieve adsorptie op nanoschaal voor materiaalcontrole, " gepubliceerd op 13 juli in Natuurcommunicatie . De hoofdauteurs zijn postdoctoraal onderzoekers Rong Ye, een presidentiële postdoctorale fellow, en Ming Zhao.

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 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 van de adsorptie van een ligand te kwantificeren. Chen's team was in staat om precies dat te doen door een methode toe te passen die het had bedacht, genaamd COMPEITS - een afkorting voor COMPetition Enabled Imaging Technique met Super-Resolution.

Het proces werkt door een molecuul te introduceren dat reageert met het deeltjesoppervlak en fluoresceert. 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 - die in wezen een negatief beeld creëert - 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 hoe divers ligandgedrag kan zijn. liganden, het blijkt, zijn een soort van mooiweervrienden:op sommige locaties, ze werken samen om elkaar te helpen adsorberen; bij anderen, ze kunnen elkaars inspanningen schaden. Chen's team ontdekte 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 "crossover" 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."

Het onderzoek werd voornamelijk ondersteund door het Army Research Office, een onderdeel van het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command.

"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 James Parker, programmamanager bij het Legeronderzoeksbureau. "Dit onderzoek is ook belangrijk voor het ontwerpen en ontwikkelen van op prikkels reagerende materialen met een gespecialiseerde functie die niet in reguliere, bulkmaterialen."