Ligantes são muito parecidos com cracas nanométricas, ligação a muitos tipos de superfícies. Esta forma de adsorção é crucial para uma série de processos químicos, da purificação e catálise ao design de nanomateriais.

Contudo, entender como os ligantes interagem com a superfície das nanopartículas tem sido um desafio de estudo. Ligantes adsorvidos são difíceis de identificar porque existem outras moléculas na mistura, e as superfícies das nanopartículas são irregulares e multifacetadas, o que significa que eles exigem uma resolução espacial incrivelmente alta para serem examinados.

Pesquisadores da Cornell liderados por Peng Chen, o Peter J.W. Professor Debye de Química na Faculdade de Artes e Ciências, usaram uma técnica de imagem inovadora que foram pioneira em 2019 para obter um instantâneo de alta resolução dessas interações de superfície e ganhar uma nova compreensão da força, ou afinidade, de adsorção de ligantes, bem como como vários ligantes cooperam - ou não - uns com os outros.

Isso levou a uma descoberta inesperada:ao variar a concentração de um ligante individual, os pesquisadores descobriram que podem controlar a forma da partícula que foi armazenada a bordo, uma abordagem que pode resultar em uma série de aplicações diárias, como a remoção de micropoluentes do meio ambiente.

"Quando a molécula é adsorvida na superfície de um material em nanoescala, também protege a superfície e a torna mais estável, "Disse Chen." E isso pode ser utilizado para controlar como as partículas em nanoescala crescem e se tornam sua forma final. E descobrimos que podemos fazer isso com apenas um ligante. Você não faz nenhum outro truque. Você apenas diminui a concentração ou aumenta a concentração, e você pode mudar a forma. "

O jornal do grupo, "Adsorção cooperativa em nanoescala para controle de materiais, "publicado em 13 de julho em Nature Communications . Os autores principais são os pesquisadores de pós-doutorado Rong Ye, um bolsista de pós-doutorado presidencial, e Ming Zhao.

O tamanho e as estruturas de superfície de uma nanopartícula, ou facetas, estão intrinsecamente ligados às aplicações potenciais da partícula. Quanto maior a partícula, quanto mais átomos cabem dentro dele, enquanto as partículas menores têm menos espaço disponível internamente, mas uma proporção de volume de superfície maior para os átomos ficarem no topo, onde podem ser utilizados para processos como catálise e adsorção. Os diferentes tipos de estruturas que os átomos e moléculas formam nessas facetas da superfície estão diretamente correlacionados com a forma da partícula.

Os cientistas usaram vários métodos de imagem para pesquisar essas partículas, mas eles não foram capazes de obter resolução nanométrica para realmente explorar os cantos e recantos das múltiplas facetas da superfície e quantificar a afinidade da adsorção de um ligante. A equipe de Chen foi capaz de fazer exatamente isso, empregando um método planejado, chamado COMPEITS - abreviação de Técnica de imagem habilitada para competição com super-resolução.

O processo funciona através da introdução de uma molécula que reage com a superfície da partícula e sofre fluorescência. Uma molécula não fluorescente é então enviada para se ligar à superfície, onde sua reação compete com o sinal fluorescente. A diminuição resultante na fluorescência - essencialmente criando uma imagem negativa - pode então ser medida e mapeada com super alta resolução.

Usando COMPEITS em uma nanopartícula de ouro, a equipe foi capaz de quantificar a força de adsorção do ligante, e eles descobriram o quão diverso o comportamento do ligante pode ser. Ligantes, acontece que, são amigos do tempo bom:em alguns sites, eles cooperam para ajudar uns aos outros a absorver; em outros, eles podem prejudicar os esforços uns dos outros. A equipe de Chen também descobriu que às vezes essa cooperatividade positiva e negativa existe no mesmo local.

Além disso, os pesquisadores aprenderam que a densidade da superfície dos ligantes adsorvidos pode determinar qual faceta é dominante. Este "crossover" inspirou a equipe a variar as concentrações de ligantes individuais como uma forma de ajustar a forma da própria partícula.

"Para nós, isso abriu mais possibilidades, "Disse Chen." Por exemplo, uma maneira de remover micropoluentes, como pesticidas, do ambiente é adsorver microporções na superfície de alguma partícula adsorvente. Depois de ser adsorvido na superfície da partícula, se a partícula é um catalisador, pode catalisar a destruição dos micropoluentes. "

A pesquisa foi apoiada principalmente pelo Escritório de Pesquisa do Exército, um elemento do Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA.

"O trabalho do professor Peng Chen permite insights profundos sobre os processos de adsorção molecular, que é importante entender para projetar sensores moleculares, catalisadores e esquemas para limpar micropoluentes no meio ambiente, "disse James Parker, gerente de programa do Gabinete de Pesquisa do Exército. "Esta pesquisa também é importante para projetar e projetar materiais responsivos a estímulos com função especializada que não poderiam ser encontrados no regular, materiais de massa."