I ricercatori hanno identificato un nuovo approccio chimico che potrebbe rimuovere i microinquinanti dall'ambiente.

I microinquinanti sono contaminanti biologici o chimici che penetrano in tracce nelle acque sotterranee e superficiali.

Utilizzando una tecnica di imaging all'avanguardia, I ricercatori della Cornell University hanno ottenuto un'istantanea ad alta risoluzione di come i ligandi, molecole che si legano ad altre molecole o metalli, interagiscono con la superficie delle nanoparticelle. Così facendo, hanno fatto una scoperta rivoluzionaria inaspettata. Hanno determinato che, variando la concentrazione di un singolo ligando, potevano controllare anche la forma della particella a cui era attaccato.

Questo approccio potrebbe portare a una serie di applicazioni quotidiane, compreso lo sviluppo di sensori chimici che sono sensibili a un livello molto basso a una specifica sostanza chimica nell'ambiente.

"Il lavoro del professor Peng Chen consente approfondimenti sui processi di adsorbimento molecolare, che è importante capire per la progettazione di sensori molecolari, catalizzatori, e progetti per la bonifica dei microinquinanti nell'ambiente, " ha detto il dottor James Parker, responsabile del programma, Comando per lo sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti, noto come DEVCOM, Laboratorio di ricerca dell'esercito. "Questa ricerca è importante anche per la progettazione e l'ingegnerizzazione di materiali sensibili agli stimoli con una funzione specializzata che non è possibile trovare in normali, materiali sfusi."

La ricerca, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , ha studiato le interazioni dei ligandi e ha acquisito una nuova comprensione della forza, o affinità di adsorbimento del ligando e come cooperano più ligandi, o no, insieme.

"Quando la molecola si adsorbe sulla superficie di un materiale su scala nanometrica, inoltre protegge effettivamente la superficie e la rende più stabile, " ha detto il dottor Peng Chen, il Peter J.W. Debye Professore di Chimica presso il College of Arts and Sciences della Cornell University, che ha condotto la ricerca. "Questo può essere utilizzato per controllare come le particelle su scala nanometrica crescono e diventano la loro forma finale. E abbiamo scoperto che possiamo farlo con un solo ligando. Non si fa nessun altro trucco. Basta diminuire la concentrazione o aumentare la concentrazione, e puoi cambiare la forma."

Comprendere come i ligandi interagiscono con la superficie delle nanoparticelle è stata una sfida da studiare. I ligandi adsorbiti sono difficili da identificare perché ci sono altre molecole nel mix, e le superfici delle nanoparticelle sono irregolari e sfaccettate, il che significa che richiedono una risoluzione spaziale incredibilmente elevata per essere esaminati.

Le dimensioni e le strutture superficiali di una nanoparticella, o sfaccettature, sono intrinsecamente legate alle potenziali applicazioni della particella. Più grande è la particella, più atomi ci stanno dentro, mentre le particelle più piccole hanno meno spazio disponibile internamente ma un rapporto di volume superficiale maggiore affinché gli atomi si siedano in cima, dove possono essere utilizzati per processi come catalisi e adsorbimento. I diversi tipi di strutture che gli atomi e le molecole formano su queste sfaccettature superficiali sono direttamente correlati alla forma della particella.

Gli scienziati hanno utilizzato diversi metodi di imaging per esaminare queste particelle, ma fino ad ora, non sono stati in grado di ottenere una risoluzione nanometrica per esplorare davvero gli angoli e le fessure delle molteplici sfaccettature della superficie e quantificare l'affinità, o forza, dell'adsorbimento di un ligando. Il team di ricerca è stato in grado di fare proprio questo impiegando un metodo di propria concezione chiamato COMPetition Enabled Imaging Technique con Super-Resolution o COMPEITS.

Il processo funziona introducendo una molecola che reagisce con la superficie della particella e genera una reazione fluorescente. Una molecola non fluorescente viene quindi inviata a legarsi alla superficie, dove la sua reazione compete con il segnale fluorescente. La conseguente diminuzione della fluorescenza, essenzialmente creando un'immagine negativa, possono quindi essere misurati e mappati ad altissima risoluzione.

Usando COMPEITS su una nanoparticella d'oro, il team è stato in grado di quantificare la forza dell'adsorbimento del ligando, e hanno scoperto che il comportamento dei ligandi può essere molto vario. ligandi, si scopre, sono una sorta di amici del bel tempo, in alcuni siti cooperano per aiutarsi a vicenda ad assorbire, ma in altri siti possono compromettere gli sforzi reciproci. I ricercatori hanno anche scoperto che a volte questa cooperatività positiva e negativa esiste nello stesso sito.

Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che la densità superficiale dei ligandi adsorbiti può determinare quale sfaccettatura è dominante. Questo crossover ha ispirato il team a variare le concentrazioni dei singoli ligandi come un modo per regolare la forma della particella stessa.

"Per noi, questo ha aperto più possibilità, " Chen ha detto. "Per esempio, un modo per rimuovere i microinquinanti, come pesticidi, dall'ambiente consiste nell'adsorbire microporzioni sulla superficie di alcune particelle adsorbenti. Dopo che è stato adsorbito sulla superficie della particella, se la particella è un catalizzatore, può catalizzare la distruzione dei microinquinanti".