I ligandi sono molto simili a balani di dimensioni nanometriche, legandosi a molti tipi di superfici. Questa forma di adsorbimento è cruciale per una serie di processi chimici, dalla purificazione e catalisi alla progettazione di nanomateriali.

Però, capire 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.

I ricercatori della Cornell guidati da Peng Chen, il Peter J.W. Debye Professore di Chimica presso il College of Arts and Sciences, hanno utilizzato una tecnica di imaging rivoluzionaria di cui sono stati pionieri nel 2019 per ottenere un'istantanea ad alta risoluzione di queste interazioni di superficie e acquisire una nuova comprensione della forza, o affinità, di adsorbimento del ligando e come più ligandi cooperano o non collaborano tra loro.

Ciò ha portato a una scoperta inaspettata:variando la concentrazione di un singolo ligando, i ricercatori hanno scoperto di poter controllare la forma della particella che ha stivato a bordo, un approccio che potrebbe portare a una serie di applicazioni quotidiane, come la rimozione di microinquinanti dall'ambiente.

"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 Chen. "E questo può essere utilizzato per controllare come le particelle su nanoscala crescono e diventano la loro forma finale. E abbiamo scoperto che possiamo farlo con un solo ligando. Non fai nessun altro trucco. Basta diminuire la concentrazione o aumentare la concentrazione, e puoi cambiare la forma."

La carta del gruppo, "Adsorbimento cooperativo su nanoscala per il controllo dei materiali, " pubblicato il 13 luglio in Comunicazioni sulla natura . Gli autori principali sono i ricercatori post-dottorato Rong Ye, un borsista post-dottorato presidenziale, e Ming Zhao.

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 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 dell'adsorbimento di un ligando. Il team di Chen è stato in grado di farlo utilizzando un metodo ideato, chiamato COMPEITS—abbreviazione di COMPetition Enabled Imaging Technique with Super-Resolution.

Il processo funziona introducendo una molecola che reagisce con la superficie della particella e diventa fluorescente. Una molecola non fluorescente viene quindi inviata a legarsi alla superficie, dove la sua reazione compete con il segnale fluorescente. La risultante diminuzione della fluorescenza, essenzialmente creando un'immagine negativa, può quindi essere misurata e mappata con una risoluzione altissima.

Usando COMPEITS su una nanoparticella d'oro, il team è stato in grado di quantificare la forza dell'adsorbimento del ligando, e hanno scoperto quanto può essere diverso il comportamento dei ligandi. ligandi, si scopre, sono una sorta di amici del bel tempo:in alcuni siti, cooperano per aiutarsi l'un l'altro ad assorbirsi; ad altri, possono ostacolare gli sforzi dell'altro. Il team di Chen ha anche scoperto che a volte questa cooperazione positiva e negativa esiste nello stesso sito.

Inoltre, i ricercatori hanno appreso 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".

La ricerca è stata sostenuta principalmente dall'Ufficio di ricerca dell'esercito, un elemento del laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti.

"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 schemi per ripulire i microinquinanti nell'ambiente, " ha detto James Parker, responsabile del programma presso l'Ufficio Ricerche 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."