小分子在控制纳米粒子方面发挥着巨大的作用

配体很像纳米级的藤壶，可以与多种表面结合。这种吸附形式对于一系列化学过程至关重要，从纯化和催化到纳米材料的设计。然而，了解配体如何与纳米粒子表面相互作用一直是研究的挑战。吸附的配体很难识别，因为混合物中还有其他分子，而且纳米颗粒表面不均匀且多面，这意味着它们需要非常高的空间分辨率才能进行仔细检查。

由文理学院 Peter JW Debye 化学教授 Peng Chen 领导的康奈尔大学研究人员使用了他们在 2019 年首创的突破性成像技术，获得了这些表面相互作用的高分辨率快照，并对强度有了新的理解或亲和力，配体吸附以及多个配体如何相互合作或不合作。

这导致了一个意想不到的发现：通过改变单个配体的浓度，研究人员发现他们可以控制它装载的颗粒的形状——这种方法可能会导致一系列日常应用，例如从环境中去除微污染物.

“当分子吸附在纳米级材料的表面时，它实际上也保护了表面并使其更加稳定，”陈说。“这可以用来控制纳米级粒子如何生长并成为它们最终的形状。我们发现我们可以只用一个配体来做到这一点。你不需要做任何其他技巧。你只需降低浓度或增加浓度，然后你可以改变形状。”

该小组的论文“用于材料控制的纳米级协同吸附”于 7 月 13 日发表在《自然通讯》上。主要作者是博士后研究员荣业，博士后研究员和明赵。

纳米粒子的大小和表面结构或小面与粒子的潜在应用有着内在的联系。颗粒越大，内部容纳的原子越多，而较小的颗粒内部可用空间较小，但原子位于顶部的表面体积比更大，可用于催化和吸附等过程。原子和分子在这些表面上形成的不同类型的结构与粒子的形状直接相关。

科学家们使用了几种成像方法来调查这些粒子，但他们还没有能够获得纳米分辨率来真正探索多个表面小平面的角落和缝隙，并量化配体吸附的亲和力。Chen 的团队通过采用他们设计的一种方法来做到这一点，称为 COMPEITS——COMPetition Enabled Imaging Technique with Super-Resolution 的缩写。

该过程通过引入与颗粒表面反应并发出荧光的分子来起作用。然后发送一个非荧光分子与表面结合，在那里它的反应与荧光信号竞争。由此产生的荧光减少——本质上是创建一个负像——然后可以用超高分辨率测量和映射。

在金纳米颗粒上使用 COMPEITS，该团队能够量化配体吸附的强度，并且他们发现了配体行为的多样性。事实证明，配体是一种天气好的朋友：在某些地点，它们合作以帮助彼此吸附;在其他方面，他们可能会损害彼此的努力。陈的团队还发现，有时这种正负协同作用存在于同一地点。

此外，研究人员还了解到，吸附配体的表面密度可以决定哪个方面占主导地位。这种“交叉”激发了团队改变单个配体的浓度，以此来调整粒子本身的形状。

“对我们来说，这开启了更多的可能性，”陈说。“例如，从环境中去除农药等微污染物的一种方法是将微量部分吸附在某些吸附剂颗粒的表面上。吸附在颗粒表面后，如果颗粒是催化剂，它可以催化微污染物的破坏。”

这项研究主要得到了陆军研究办公室的支持，该办公室是陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的一个组成部分。

陆军研究办公室项目经理詹姆斯帕克说：“陈鹏教授的工作可以深入了解分子吸附过程，这对于设计分子传感器、催化剂和清除环境中微污染物的方案很重要。” “这项研究对于设计和设计具有特殊功能的刺激响应材料也很重要，而这些材料在常规散装材料中是找不到的。”

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