Neuer chemischer Ansatz könnte Mikroverunreinigungen aus der Umwelt entfernen

Forscher machen unerwartete, bahnbrechende Entdeckung

20.07.2021 - USA

Mithilfe eines bahnbrechenden bildgebenden Verfahrens erhielten die Forscher der Cornell University einen hochauflösenden Schnappschuss davon, wie Liganden, also Moleküle, die an andere Moleküle oder Metalle binden, mit der Oberfläche von Nanopartikeln interagieren. Dabei machten sie eine unerwartete, bahnbrechende Entdeckung. Sie stellten fest, dass sie durch Variation der Konzentration eines einzelnen Liganden die Form des Partikels, an den er gebunden ist, steuern können.

Dieser Ansatz könnte zu einer Reihe von alltäglichen Anwendungen führen, einschließlich der Entwicklung von chemischen Sensoren, die auf einem sehr niedrigen Niveau auf eine bestimmte Chemikalie in der Umgebung reagieren.

"Die Arbeit von Professor Peng Chen ermöglicht tiefe Einblicke in molekulare Adsorptionsprozesse, was wichtig ist, um molekulare Sensoren, Katalysatoren und Systeme zur Reinigung von Mikroverunreinigungen in der Umwelt zu verstehen", sagte Dr. James Parker, Programm-Manager, U.S. Army Combat Capabilities Development Command, bekannt als DEVCOM, Army Research Laboratory. "Diese Forschung ist auch wichtig für das Design und die Entwicklung von stimulierend-responsiven Materialien mit speziellen Funktionen, die in normalen, massiven Materialien nicht zu finden sind."

Forscher präsentieren markierungsfreie Super-Resolution-Mikroskopie

Bildgebendes Verfahren misst Partikelgröße und -position mit Nanometergenauigkeit

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Die Forschung, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, untersuchte die Wechselwirkungen von Liganden und gewann neue Erkenntnisse über die Stärke oder Affinität der Ligandenadsorption sowie darüber, wie mehrere Liganden miteinander kooperieren oder nicht.

"Wenn das Molekül an der Oberfläche eines nanoskaligen Materials adsorbiert, schützt es auch die Oberfläche und macht sie stabiler", sagte Dr. Peng Chen, der Peter J.W. Debye Professor für Chemie am College of Arts and Sciences der Cornell University, der die Forschung leitete. "Dies kann genutzt werden, um zu kontrollieren, wie nanoskalige Partikel wachsen und ihre letztendliche Form erhalten. Und wir haben herausgefunden, dass wir das mit nur einem Liganden machen können. Man muss keinen weiteren Trick anwenden. Man verringert einfach die Konzentration oder erhöht die Konzentration, und schon kann man die Form verändern."

Zu verstehen, wie Liganden mit der Oberfläche von Nanopartikeln interagieren, ist eine Herausforderung. Adsorbierte Liganden sind schwer zu identifizieren, weil andere Moleküle im Spiel sind, und die Oberflächen von Nanopartikeln sind uneben und vielgestaltig, was bedeutet, dass sie eine unglaublich hohe räumliche Auflösung erfordern, um untersucht zu werden.

Die Größe eines Nanopartikels und seine Oberflächenstrukturen oder Facetten sind untrennbar mit den möglichen Anwendungen des Partikels verbunden. Je größer ein Partikel ist, desto mehr Atome passen in sein Inneres, während kleinere Partikel weniger Platz im Inneren haben, dafür aber ein größeres Oberflächenvolumenverhältnis, auf dem die Atome sitzen und für Prozesse wie Katalyse und Adsorption genutzt werden können. Die verschiedenen Arten von Strukturen, die die Atome und Moleküle auf diesen Oberflächenfacetten bilden, sind direkt mit der Form des Partikels korreliert.

Die von der Armee finanzierte Forschung identifiziert einen neuen chemischen Ansatz, der Mikroverunreinigungen aus der Umwelt entfernen könnte.

Wissenschaftler haben verschiedene bildgebende Verfahren zur Untersuchung dieser Partikel eingesetzt, aber bisher war es ihnen nicht möglich, eine Auflösung im Nanometerbereich zu erreichen, um wirklich die Ecken und Winkel der verschiedenen Oberflächenfacetten zu erkunden und die Affinität oder Stärke der Adsorption eines Liganden zu quantifizieren. Das Forscherteam konnte dies mit einer selbst entwickelten Methode namens COMPetition Enabled Imaging Technique with Super-Resolution oder COMPEITS erreichen.

Das Verfahren funktioniert durch die Einführung eines Moleküls, das mit der Partikeloberfläche reagiert und eine fluoreszierende Reaktion erzeugt. Ein nicht fluoreszierendes Molekül wird dann zur Bindung an die Oberfläche geschickt, wo seine Reaktion mit dem fluoreszierenden Signal konkurriert. Die daraus resultierende Abnahme der Fluoreszenz, die im Wesentlichen ein negatives Bild erzeugt, kann dann mit sehr hoher Auflösung gemessen und abgebildet werden.

Durch die Verwendung von COMPEITS auf einem Gold-Nanopartikel konnte das Team die Stärke der Ligandenadsorption quantifizieren und entdeckte, dass das Verhalten der Liganden sehr unterschiedlich sein kann. Es stellte sich heraus, dass Liganden eine Art Schönwetter-Freunde sind. An einigen Stellen kooperieren sie, um sich gegenseitig bei der Adsorption zu helfen, aber an anderen Stellen können sie sich gegenseitig in ihren Bemühungen behindern. Die Forscher entdeckten auch, dass diese positive und negative Kooperativität manchmal an der gleichen Stelle besteht.

Darüber hinaus lernten die Forscher, dass die Oberflächendichte der adsorbierten Liganden bestimmen kann, welche Facette dominant ist. Dieses Crossover inspirierte das Team dazu, die Konzentrationen der einzelnen Liganden zu variieren, um so die Form des Partikels selbst zu beeinflussen.

"Für uns hat dies weitere Möglichkeiten eröffnet", so Chen. "Eine Möglichkeit, Mikroverunreinigungen wie Pestizide aus der Umwelt zu entfernen, besteht zum Beispiel darin, Mikroportionen auf der Oberfläche eines Adsorptionspartikels zu adsorbieren. Wenn das Teilchen ein Katalysator ist, kann es nach der Adsorption auf der Oberfläche des Teilchens die Zerstörung der Mikroverunreinigungen katalysieren."

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