Les chercheurs ont identifié une nouvelle approche chimique qui pourrait éliminer les micropolluants de l'environnement.

Les micropolluants sont des contaminants biologiques ou chimiques qui se retrouvent dans les eaux souterraines et de surface en quantités infimes.

Grâce à une technique d'imagerie pionnière, Les chercheurs de l'Université Cornell ont obtenu un instantané haute résolution de la façon dont les ligands, molécules qui se lient à d'autres molécules ou métaux, interagir avec la surface des nanoparticules. Ce faisant, ils ont fait une découverte révolutionnaire inattendue. Ils ont déterminé qu'en faisant varier la concentration d'un ligand individuel, ils pouvaient également contrôler la forme de la particule qu'il attachait.

Cette approche pourrait déboucher sur un éventail d'applications quotidiennes, y compris le développement de capteurs chimiques qui sont très peu sensibles à un produit chimique spécifique dans l'environnement.

"Les travaux du professeur Peng Chen permettent de mieux comprendre les processus d'adsorption moléculaire, ce qui est important à comprendre pour la conception de capteurs moléculaires, catalyseurs, et des dispositifs de dépollution des micropolluants dans l'environnement, " a déclaré le Dr James Parker, gestionnaire de programme, Commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine, connu sous le nom de DEVCOM, Laboratoire de recherche de l'armée. "Cette recherche est également importante pour la conception et l'ingénierie de matériaux sensibles aux stimuli avec une fonction spécialisée qui ne pourraient pas être trouvées dans les matériaux en vrac."

La recherche, Publié dans Communication Nature , étudié les interactions des ligands et acquis une nouvelle compréhension de la force, ou l'affinité de l'adsorption du ligand ainsi que la manière dont plusieurs ligands coopèrent, ou pas, avec l'un l'autre.

"Lorsque la molécule s'adsorbe à la surface d'un matériau nanométrique, il protège également réellement la surface et la rend plus stable, " a déclaré le Dr Peng Chen, le Peter J.W. Debye professeur de chimie au Collège des arts et des sciences de l'Université Cornell, qui a dirigé la recherche. "Cela peut être utilisé pour contrôler la croissance des particules nanométriques et leur forme finale. Et nous avons découvert que nous pouvons le faire avec un seul ligand. Vous ne faites aucune autre astuce. Vous diminuez simplement la concentration ou augmentez la concentration, et vous pouvez changer la forme."

Comprendre comment les ligands interagissent avec la surface des nanoparticules a été un défi à étudier. Les ligands adsorbés sont difficiles à identifier car il y a d'autres molécules dans le mélange, et les surfaces des nanoparticules sont inégales et multiformes, ce qui signifie qu'ils nécessitent une résolution spatiale incroyablement élevée pour être examinés.

La taille et les structures de surface d'une nanoparticule, ou facettes, sont intrinsèquement liés aux applications potentielles de la particule. Plus la particule est grosse, plus il y a d'atomes à l'intérieur, tandis que les particules plus petites ont moins d'espace disponible à l'intérieur mais un rapport volumique de surface plus élevé pour que les atomes s'asseyent dessus, où ils peuvent être utilisés pour des procédés tels que la catalyse et l'adsorption. Les différents types de structures que les atomes et les molécules forment sur ces facettes de surface sont directement corrélés à la forme de la particule.

Les scientifiques ont utilisé plusieurs méthodes d'imagerie pour étudier ces particules, mais jusqu'à maintenant, ils n'ont pas pu obtenir une résolution nanométrique pour vraiment explorer les coins et recoins des multiples facettes de la surface et quantifier l'affinité, ou la force, de l'adsorption d'un ligand. L'équipe de recherche a été en mesure de le faire en employant une méthode de leur propre conception appelée Technique d'imagerie activée par la compétition avec super-résolution ou COMPEITS.

Le processus fonctionne en introduisant une molécule qui réagit avec la surface des particules et génère une réaction fluorescente. Une molécule non fluorescente est alors envoyée pour se fixer à la surface, où sa réaction entre en compétition avec le signal fluorescent. La diminution de fluorescence qui en résulte, créant essentiellement une image négative, peuvent ensuite être mesurés et cartographiés avec une très haute résolution.

En utilisant COMPEITS sur une nanoparticule d'or, l'équipe a pu quantifier la force d'adsorption du ligand, et ils ont découvert que le comportement des ligands peut être très divers. Ligands, il s'avère, sont des amis du beau temps en quelque sorte, sur certains sites, ils coopèrent pour s'aider mutuellement à s'adsorber, mais sur d'autres sites, ils peuvent nuire les uns aux autres. Les chercheurs ont également découvert que parfois cette coopérativité positive et négative existe sur le même site.

En outre, les chercheurs ont appris que la densité de surface des ligands adsorbés peut déterminer quelle facette est dominante. Ce croisement a inspiré l'équipe à faire varier les concentrations de ligands individuels afin d'ajuster la forme de la particule elle-même.

"Pour nous, cela a ouvert plus de possibilités, " dit Chen. " Par exemple, une façon d'éliminer les micropolluants, comme les pesticides, de l'environnement est d'adsorber des micro-parties à la surface d'une particule adsorbante. Après son adsorption à la surface de la particule, si la particule est un catalyseur, il peut catalyser la destruction des micropolluants."