20.07.2021 - U.S. Army Research Laboratory

Un descubrimiento químico podría eliminar los microcontaminantes del medio ambiente

Los investigadores hicieron un descubrimiento inesperado

Mediante una técnica pionera de obtención de imágenes, los investigadores de la Universidad de Cornell obtuvieron una instantánea de alta resolución de cómo los ligandos, moléculas que se unen a otras moléculas o metales, interactúan con la superficie de las nanopartículas. Al hacerlo, hicieron un descubrimiento inesperado. Determinaron que variando la concentración de un ligando individual podían controlar la forma de la partícula a la que se unía.

Este método podría dar lugar a toda una serie de aplicaciones cotidianas, como el desarrollo de sensores químicos sensibles a un nivel muy bajo a una sustancia química específica del entorno.

"El trabajo del profesor Peng Chen permite profundizar en los procesos de adsorción molecular, lo que es importante para el diseño de sensores moleculares, catalizadores y sistemas de limpieza de microcontaminantes en el medio ambiente", dijo el Dr. James Parker, director del programa del Mando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de Estados Unidos, conocido como DEVCOM, del Laboratorio de Investigación del Ejército. "Esta investigación también es importante para el diseño y la ingeniería de materiales que responden a los estímulos con una función especializada que no se podría encontrar en los materiales normales a granel".

La investigación, publicada en Nature Communications, estudió las interacciones de los ligandos y obtuvo una nueva comprensión de la fuerza, o afinidad, de la adsorción del ligando, así como de la forma en que los ligandos múltiples cooperan, o no, entre sí.

"Cuando la molécula se adsorbe en la superficie de un material a nanoescala, también protege la superficie y la hace más estable", dijo el Dr. Peng Chen, profesor de química Peter J.W. Debye en la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Cornell, que dirigió la investigación. "Esto puede utilizarse para controlar cómo crecen las partículas a nanoescala y adquieren su forma final. Y hemos descubierto que podemos hacerlo con un solo ligando. No hay que hacer ningún otro truco. Sólo hay que disminuir o aumentar la concentración y se puede cambiar la forma".

Entender cómo interactúan los ligandos con la superficie de las nanopartículas ha sido un reto de estudio. Los ligandos adsorbidos son difíciles de identificar porque hay otras moléculas en la mezcla, y las superficies de las nanopartículas son desiguales y multifacéticas, lo que significa que requieren una resolución espacial increíblemente alta para ser examinadas.

El tamaño de una nanopartícula y las estructuras de su superficie, o facetas, están intrínsecamente ligadas a las aplicaciones potenciales de la partícula. Cuanto más grande es la partícula, más átomos caben en su interior, mientras que las partículas más pequeñas tienen menos espacio disponible internamente pero una mayor proporción de volumen superficial para que los átomos se asienten encima, donde pueden ser utilizados para procesos como la catálisis y la adsorción. Los diferentes tipos de estructuras que los átomos y las moléculas forman en estas facetas de la superficie están directamente correlacionados con la forma de la partícula.

Una investigación financiada por el ejército identifica un nuevo enfoque químico que podría eliminar los microcontaminantes del medio ambiente.

Los científicos han utilizado varios métodos de obtención de imágenes para estudiar estas partículas, pero hasta ahora no habían podido obtener una resolución nanométrica para explorar realmente los recovecos de las múltiples facetas de la superficie y cuantificar la afinidad, o fuerza, de la adsorción de un ligando. El equipo de investigación pudo hacerlo empleando un método de su propia invención llamado COMPetition Enabled Imaging Technique with Super-Resolution o COMPEITS.

El proceso funciona introduciendo una molécula que reacciona con la superficie de la partícula y genera una reacción fluorescente. A continuación, se envía una molécula no fluorescente para que se una a la superficie, donde su reacción compite con la señal fluorescente. La disminución resultante de la fluorescencia, que crea esencialmente una imagen negativa, puede medirse y cartografiarse con una resolución muy alta.

Utilizando COMPEITS en una nanopartícula de oro, el equipo pudo cuantificar la fuerza de adsorción del ligando, y descubrieron que el comportamiento del ligando puede ser muy diverso. Resulta que los ligandos son una especie de amigos de buen tiempo: en algunos sitios cooperan para ayudarse mutuamente en la adsorción, pero en otros pueden perjudicar sus esfuerzos. Los investigadores también descubrieron que a veces esta cooperatividad positiva y negativa existe en el mismo sitio.

Además, los investigadores aprendieron que la densidad superficial de los ligandos adsorbidos puede determinar qué faceta es la dominante. Este cruce inspiró al equipo a variar las concentraciones de los ligandos individuales como forma de afinar la forma de la propia partícula.

"Para nosotros, esto ha abierto más posibilidades", dijo Chen. "Por ejemplo, una forma de eliminar microcontaminantes, como los pesticidas, del medio ambiente es adsorber microporciones en la superficie de alguna partícula adsorbente. Una vez adsorbidas en la superficie de la partícula, si ésta es un catalizador, puede catalizar la destrucción de los microcontaminantes".

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