Les ligands ressemblent beaucoup à des balanes de taille nanométrique, liant à de nombreux types de surfaces. Cette forme d'adsorption est cruciale pour une gamme de processus chimiques, de la purification et de la catalyse à la conception de nanomatériaux.

Cependant, 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.

Les chercheurs de Cornell dirigés par Peng Chen, le Peter J.W. Debye professeur de chimie à la Faculté des arts et des sciences, ont utilisé une technique d'imagerie révolutionnaire dont ils ont été les pionniers en 2019 pour obtenir un instantané haute résolution de ces interactions de surface et acquérir une nouvelle compréhension de la force, ou affinité, de l'adsorption des ligands ainsi que la façon dont plusieurs ligands coopèrent ou non les uns avec les autres.

Cela a conduit à une découverte inattendue :en faisant varier la concentration d'un ligand individuel, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient contrôler la forme de la particule qu'il embarquait, une approche qui pourrait donner lieu à un éventail d'applications quotidiennes, comme l'élimination des micropolluants de l'environnement.

"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 Chen. "Et 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 pas d'autre truc. Vous diminuez simplement la concentration ou augmentez la concentration, et vous pouvez changer la forme."

Le papier du groupe, "Adsorption coopérative à l'échelle nanométrique pour le contrôle des matériaux, " publié le 13 juillet dans Communication Nature . Les auteurs principaux sont les chercheurs postdoctoraux Rong Ye, un boursier postdoctoral présidentiel, et Ming Zhao.

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 ils n'ont pas été en mesure d'obtenir une résolution nanométrique pour vraiment explorer les coins et recoins des multiples facettes de la surface et quantifier l'affinité d'adsorption d'un ligand. C'est exactement ce que l'équipe de Chen a pu faire en utilisant une méthode qu'elle a conçue, appelé COMPEITS—abréviation de COMPetition Enabled Imaging Technique with Super-Resolution.

Le processus fonctionne en introduisant une molécule qui réagit avec la surface des particules et émet une fluorescence. 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, peut ensuite être mesurée et cartographiée 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 à quel point le comportement des ligands peut être diversifié. Ligands, il s'avère, sont en quelque sorte des amis du beau temps :sur certains sites, ils coopèrent pour s'aider à s'adsorber; chez d'autres, ils peuvent nuire aux efforts de chacun. L'équipe de Chen a également découvert que parfois cette coopération 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."

La recherche a été principalement financée par le bureau de recherche de l'armée, un élément du laboratoire de recherche de l'armée du commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine.

"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 schémas de dépollution des micropolluants dans l'environnement, " dit James Parker, directeur de programme au Bureau 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."