Flatband λ-Ti 3 O 5 Nanoparticles Unlocking Near-Unity Solar Absorptivity for Ultrarobust Photothermal Antibiofouling

光热治疗 纳米技术 纳米材料 纳米颗粒 化学 光热效应 纳米尺度 生物界面 带隙 纳米结构 材料科学 粘附 可见光谱 光催化 化学工程
作者
Meng Li,X Q Li,X Q Li,Zhiqun Yu,Jianyang Wang,Bo Yang,Liang Zuo,X Q Li,X Q Li,Fuhui Wang,Dake Xu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c01139
摘要

Light-assisted antibiofouling represents a promising approach to combat pervasive microbial contamination owing to exceptional antibacterial efficiency without inducing drug resistance. However, existing photothermal platforms suffer from inefficient solar energy harvesting and weak visible-light responsiveness, even after extensive bandgap engineering. Herein, we report metallic λ-Ti 3 O 5 nanoparticles as a new photothermal antibiofouling paradigm by leveraging a flat-band electronic structure with a markedly enhanced joint density of states. A supramolecular-nanoscaffold-guided strategy is developed to overcome the longstanding challenge of synthesizing high-purity, phase-stable λ-Ti 3 O 5 with well-defined nanoscale architectures. Relative to conventional microsized counterparts, λ-Ti 3 O 5 nanoparticles exhibit near-perfect solar absorptivity (∼100%) and outstanding photothermal conversion efficiency (∼8% increase), governed by Ti–Ti dimer-induced flat bands near the Fermi level in combination with pronounced nanoscale confinement effects. This ultrarobust and recyclable nanoformulation delivers broad-spectrum photothermal bactericidal activity and efficient disruption of biofilms. All-atom simulations reveal synergistic antibiofouling modes, including enhanced electrostatic adhesion to bacterial surfaces, intense photoinduced reactive oxygen species generation, and localized thermal effects, collectively increasing the fluidity and inhomogeneity of bacterial membranes. This work provides a distinctive perspective on the crucial role of Ti–Ti dimer-induced flat bands in boosting photothermal antimicrobial activity and pioneers a rational framework for designing next-generation photoresponsive nanomaterials for diverse biointerface applications.
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