Klein molecuul speelt buitenmaatse rol bij het beheersen van nanodeeltjes

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

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

Cornell-onderzoekers onder leiding van Peng Chen, de Peter JW Debye hoogleraar scheikunde aan de Hogeschool voor de Kunsten en Wetenschappen, hebben een baanbrekende beeldvormingstechniek gebruikt die ze in 2019 pionierden om een ​​snapshot met hoge resolutie van deze oppervlakte-interacties te verkrijgen en een nieuw begrip te krijgen van 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, ontdekten de onderzoekers dat ze de vorm van het deeltje dat het aan boord had opgeborgen konden regelen – een benadering die zou kunnen resulteren in een reeks dagelijkse toepassingen, zoals het verwijderen van microverontreinigingen uit de omgeving .

“Wanneer het molecuul adsorbeert op het oppervlak van een materiaal op nanoschaal, beschermt het ook 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 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.”

De paper van de groep, “Nanoscale Cooperative Adsorption for Materials Control”, gepubliceerd op 13 juli in Natuurcommunicatie. De hoofdauteurs zijn postdoctoraal onderzoekers Rong Ye, een Presidential Postdoctoral 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 er niet in geslaagd 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. Chens team was in staat om precies dat te doen door een methode toe te passen die het had bedacht, COMPEITS genaamd, een afkorting voor COMPetition Enabled Imaging Technique with 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 fluorescente 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 kon het team de sterkte van ligandadsorptie kwantificeren en ontdekten ze hoe divers ligandgedrag kan zijn. Het blijkt dat liganden een soort vrienden zijn bij mooi weer: op sommige locaties werken ze samen om elkaar te helpen adsorberen; bij andere kunnen ze elkaars inspanningen belemmeren. Chen’s team ontdekte ook dat deze positieve en negatieve samenwerking soms op dezelfde locatie bestaat.

Bovendien leerden de onderzoekers 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 heeft dit meer mogelijkheden geopend”, zei Chen. “Een manier om microverontreinigingen, zoals pesticiden, bijvoorbeeld uit de omgeving te verwijderen, is door micro-porties op het oppervlak van een adsorberend deeltje te adsorberen. Nadat het op het oppervlak van het deeltje is geadsorbeerd, als het deeltje een katalysator is, 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 schema’s om microverontreinigingen in het milieu op te ruimen”, zegt James Parker, programmamanager bij het Army Research Office. “Dit onderzoek is ook belangrijk voor het ontwerpen en ontwikkelen van op prikkels reagerende materialen met een gespecialiseerde functie die niet in reguliere bulkmaterialen te vinden zijn.”