Los ligandos son muy parecidos a los percebes nanométricos, Unión a muchos tipos de superficies. Esta forma de adsorción es crucial para una variedad de procesos químicos, desde la purificación y catálisis hasta el diseño de nanomateriales.

Sin embargo, comprender cómo interactúan los ligandos con la superficie de las nanopartículas ha sido un desafío de estudiar. Los ligandos adsorbidos son difíciles de identificar porque hay otras moléculas en la mezcla, y las superficies de nanopartículas son desiguales y multifacéticas, lo que significa que requieren una resolución espacial increíblemente alta para ser analizados.

Los investigadores de Cornell dirigidos por Peng Chen, el Peter J.W. Profesora Debye de Química en la Facultad de Artes y Ciencias, han utilizado una técnica de imagen revolucionaria de la que fueron pioneros en 2019 para obtener una instantánea de alta resolución de estas interacciones superficiales y obtener una nueva comprensión de la fuerza, o afinidad, de la adsorción de ligandos, así como de cómo varios ligandos cooperan, o no, entre sí.

Esto condujo a un descubrimiento inesperado:al variar la concentración de un ligando individual, Los investigadores descubrieron que pueden controlar la forma de la partícula que guarda a bordo, un enfoque que podría resultar en una variedad de aplicaciones diarias. como la eliminación de microcontaminantes del medio ambiente.

"Cuando la molécula se adsorbe en la superficie de un material a nanoescala, también protege la superficie y la hace más estable, ", Dijo Chen." Y esto se puede utilizar para controlar cómo las partículas a nanoescala crecen y adquieren su forma eventual. Y descubrimos que podemos hacer esto con un solo ligando. No haces ningún otro truco. Simplemente disminuye la concentración o aumenta la concentración, y puedes cambiar la forma ".

El periódico del grupo, "Adsorción cooperativa a nanoescala para el control de materiales, "publicado el 13 de julio en Comunicaciones de la naturaleza . Los autores principales son los investigadores postdoctorales Rong Ye, un becario posdoctoral presidencial, y Ming Zhao.

El tamaño y las estructuras superficiales de una nanopartícula, o facetas, están intrínsecamente vinculados a las aplicaciones potenciales de la partícula. Cuanto más grande sea la partícula, cuantos más átomos caben en su interior, mientras que las partículas más pequeñas tienen menos espacio disponible internamente pero una mayor proporción de volumen de superficie para que los átomos se asienten encima, donde se pueden utilizar para procesos como catálisis y adsorción. Los diferentes tipos de estructuras que forman los átomos y moléculas en estas facetas superficiales están directamente relacionados con la forma de la partícula.

Los científicos han utilizado varios métodos de obtención de imágenes para estudiar estas partículas, pero no han podido obtener una resolución nanométrica para explorar realmente los rincones y grietas de las múltiples facetas de la superficie y cuantificar la afinidad de la adsorción de un ligando. El equipo de Chen pudo hacer precisamente eso empleando un método que ideó, llamado COMPEITS, abreviatura de Técnica de imágenes habilitadas para la competencia con superresolución.

El proceso funciona introduciendo una molécula que reacciona con la superficie de la partícula y se vuelve fluorescente. Luego se envía una molécula no fluorescente para unirse a la superficie, donde su reacción compite con la señal fluorescente. La disminución resultante de la fluorescencia, que esencialmente crea una imagen negativa, se puede medir y mapear con una resolución súper alta.

Usando COMPEITS en una nanopartícula de oro, el equipo pudo cuantificar la fuerza de la adsorción de ligandos, y descubrieron cuán diverso puede ser el comportamiento de los ligandos. Ligandos, resulta, son amigos del buen tiempo:en algunos sitios, cooperan para ayudarse mutuamente a adsorberse; en otros, pueden perjudicar los esfuerzos de los demás. El equipo de Chen también descubrió que a veces esta cooperación positiva y negativa existe en el mismo sitio.

Además, los investigadores descubrieron que la densidad superficial de los ligandos adsorbidos puede determinar qué faceta es dominante. Este "cruce" inspiró al equipo a variar las concentraciones de ligandos individuales como una forma de ajustar la forma de la propia partícula.

"Para nosotros, esto ha abierto más posibilidades, "Dijo Chen." Por ejemplo, una forma de eliminar microcontaminantes, como pesticidas, del medio ambiente es adsorber microporciones en la superficie de alguna partícula adsorbente. Después de que se adsorbe en la superficie de la partícula, si la partícula es un catalizador, puede catalizar la destrucción de los microcontaminantes ".

La investigación fue apoyada principalmente por la Oficina de Investigación del Ejército, un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU.

"El trabajo del profesor Peng Chen permite conocer en profundidad los procesos de adsorción molecular, que es importante entender para diseñar sensores moleculares, catalizadores y esquemas para limpiar microcontaminantes en el medio ambiente, "dijo James Parker, gerente de programa de la Oficina de Investigaciones del Ejército. "Esta investigación también es importante para el diseño y la ingeniería de materiales sensibles a los estímulos con una función especializada que no se puede encontrar en los grandes materiales."