Ligander är ungefär som havstulpaner i nanostorlek, bindning till många typer av ytor. Denna form av adsorption är avgörande för en rad kemiska processer, från rening och katalys till design av nanomaterial.

Dock, 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.

Cornell-forskare ledda av Peng Chen, Peter J.W. Debye professor i kemi vid College of Arts and Sciences, har använt en banbrytande bildteknik som de var pionjärer under 2019 för att få en högupplöst ögonblicksbild av dessa ytinteraktioner och få ny förståelse för styrkan, eller affinitet, av ligandadsorption samt hur flera ligander samarbetar – eller inte gör det – med varandra.

Detta ledde till en oväntad upptäckt:Genom att variera koncentrationen av en enskild ligand, forskarna fann att de kan kontrollera formen på partikeln som den stuvas ombord – ett tillvägagångssätt som kan resultera i en mängd dagliga tillämpningar, som att ta bort mikroföroreningar från miljön.

"När molekylen adsorberar på ytan av ett material i nanoskala, det skyddar också faktiskt ytan och gör den mer stabil, ", sade Chen. "Och detta kan användas för att styra hur partiklar i nanoskala växer och blir deras slutliga form. Och vi fann att vi kan göra detta med bara en ligand. Du gör inget annat knep. Du minskar bara koncentrationen eller ökar koncentrationen, och du kan ändra formen."

Gruppens tidning, "Kooperativ adsorption i nanoskala för materialkontroll, " publicerad 13 juli i Naturkommunikation . Huvudförfattarna är postdoktorala forskarna Rong Ye, en presidentpostdoktor, och Ming Zhao.

En nanopartikels storlek och ytstrukturer, eller fasetter, är i sig knutna till partikelns potentiella tillämpningar. Ju större partikel, ju fler atomer får plats inuti 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 kartlägga dessa partiklar, men de har inte kunnat erhålla nanometerupplösning för att verkligen utforska skrymslen och vråren av de multipla ytfasetterna och kvantifiera affiniteten för en ligands adsorption. Chens team kunde göra just det genom att använda en metod som de tagit fram, kallas COMPEITS—förkortning för COMPETition Enabled Imaging Technique with Super-Resolution.

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

Att använda COMPETTS på en guldnanopartikel, teamet kunde kvantifiera styrkan av ligandadsorption, och de upptäckte hur olika ligandbeteende kan vara. ligander, det visar sig, är sådana vänner med fint väder:På vissa platser, de samarbetar för att hjälpa varandra att adsorbera; hos andra, de kan försämra varandras ansträngningar. Chens team upptäckte också att ibland finns denna positiva och negativa samverkan på samma plats.

Dessutom, forskarna lärde sig att yttätheten hos adsorberade ligander kan avgöra vilken aspekt som är dominerande. Denna "crossover" inspirerade teamet att variera koncentrationerna av individuella ligander som ett sätt att ställa in formen på själva partikeln.

"För oss, detta har öppnat fler möjligheter, " sa Chen. "Till exempel, ett sätt att ta bort mikroföroreningar, som bekämpningsmedel, från omgivningen är att adsorbera mikroportioner på ytan av någon adsorberande partikel. Efter att den har adsorberats på ytan av partikeln, om partikeln är en katalysator, det kan katalysera förstörelsen av mikroföroreningarna."

Forskningen stöddes i första hand av Army Research Office, en del av U.S. Army Combat Capabilities Development Commands Army Research Laboratory.

"Professor Peng Chens arbete möjliggör djupa insikter i molekylära adsorptionsprocesser, vilket är viktigt att förstå för att designa molekylära sensorer, katalysatorer och system för att sanera mikroföroreningar i miljön, sa James Parker, programledare hos Arméns forskningskontor. "Denna forskning är också viktig för att designa och konstruera stimuli-känsliga material med specialiserad funktion som inte kunde hittas i vanliga, bulkmaterial."