Forskare har identifierat en ny kemimetod som kan avlägsna mikropollutanter från miljön.

Mikroföroreningar är biologiska eller kemiska föroreningar som tar sig in i mark- och ytvatten i spårmängder.

Med en banbrytande bildteknik, Cornell University forskare fick en högupplöst ögonblicksbild av hur ligander, molekyler som binder till andra molekyler eller metaller, interagera med ytan av nanopartiklar. Genom att göra så, de gjorde ett oväntat genombrott. De bestämde att de genom att variera koncentrationen av en individuell ligand kunde styra formen på partikeln den också fäst.

Detta tillvägagångssätt kan resultera i en rad dagliga applikationer, inklusive utveckling av kemiska sensorer som är känsliga på en mycket låg nivå för en specifik kemikalie i miljön.

"Professor Peng Chens arbete möjliggör djup insikt i molekylära adsorptionsprocesser, som är viktigt att förstå för att utforma molekylära sensorer, katalysatorer, och system för att städa upp mikroföroreningar i miljön, "sa Dr. James Parker, programansvarig, US Army Combat Capabilities Development Command, känd som DEVCOM, Arméforskningslaboratorium. "Denna forskning är också viktig för att utforma och konstruera stimuli-responsiva material med specialiserad funktion som inte kunde hittas i vanliga, bulkmaterial. "

Forskningen, publicerad i Naturkommunikation , studerade interaktioner mellan ligander och fick ny förståelse för styrkan, eller affinitet för ligandadsorption samt hur flera ligander samarbetar, eller inte, med varandra.

"När molekylen adsorberar på ytan av ett nanoskala material, det skyddar också ytan och gör den mer stabil, "sa Dr. Peng Chen, Peter J.W. Debye professor i kemi vid College of Arts and Sciences vid Cornell University, som ledde forskningen. "Detta kan användas för att kontrollera hur nanoskala partiklar växer och blir deras slutliga form. Och vi fann att vi kan göra detta med bara en ligand. Du gör inga andra trick. Du minskar bara koncentrationen eller ökar koncentrationen, och du kan ändra formen. "

Att förstå hur ligander interagerar med ytan av nanopartiklar har varit en utmaning att studera. Adsorberade ligander är svåra att identifiera eftersom det finns andra molekyler i blandningen, och nanopartikelytor är ojämna och mångfacetterade, vilket innebär att de kräver otroligt hög rumslig upplösning för att granskas.

En nanopartikels storlek och ytstrukturer, eller aspekter, är i grunden bundna till partikelns potentiella tillämpningar. Ju större partikel, ju fler atomer passar in i den, medan mindre partiklar har mindre tillgängligt utrymme internt men ett större ytvolymförhållande för atomer att sitta ovanpå, där de kan användas för processer som katalys och adsorption. De olika typerna av strukturer som atomerna och molekylerna bildar på dessa ytfasetter är direkt korrelerade med partikelns form.

Forskare har använt flera avbildningsmetoder för att undersöka dessa partiklar, men tills nu, de har inte kunnat få nanometerupplösning för att verkligen utforska skrymslen och vinklarna på de flera ytfasetterna och kvantifiera affiniteten, eller styrka, av en ligands adsorption. Forskargruppen kunde göra just det genom att använda en egen metod som kallas COMPETITION Enabled Imaging Technique with Super-Resolution eller COMPEITS.

Processen fungerar genom att introducera en molekyl som reagerar med partikelytan och genererar en fluorescerande reaktion. En icke -fluorescerande molekyl skickas sedan för att binda till ytan, där dess reaktion konkurrerar med den fluorescerande signalen. Den resulterande minskningen av fluorescens, skapar i huvudsak en negativ bild, kan sedan mätas och kartläggas med superhög upplösning.

Använda KOMPETIT på en guld -nanopartikel, laget kunde kvantifiera styrkan i ligandadsorption, och de upptäckte att ligandbeteende kan vara mycket olika. Ligander, det visar sig, är bra vädervänner av ett slag, på vissa platser samarbetar de för att hjälpa varandra att adsorbera, men på andra platser kan de försämra varandras ansträngningar. Forskarna upptäckte också att ibland finns denna positiva och negativa kooperativitet på samma plats.

Dessutom, forskarna lärde sig att ytdensiteten hos adsorberade ligander kan avgöra vilken fasett som är dominerande. Denna crossover inspirerade laget att variera koncentrationerna av enskilda ligander som ett sätt att justera formen på själva partikeln.

"För oss, detta har öppnat fler möjligheter, "Sa Chen." Till exempel ett sätt att ta bort mikropollutanter, som bekämpningsmedel, från miljön är att adsorbera mikroportioner på ytan av en del adsorberande partiklar. Efter att den har adsorberats på partikelns yta, om partikeln är en katalysator, det kan katalysera förstörelsen av mikropollutanterna. "