(PhysOrg.com) -- Een laboratorium aan de Rice University is naar voren gestapt met een efficiënte methode om nanobuisjes te verspreiden op een manier die hun unieke eigenschappen behoudt -- en voegt meer toe.

Met de nieuwe techniek kunnen anorganische metaalcomplexen met verschillende functionaliteiten in nauw contact blijven met enkelwandige koolstofnanobuisjes terwijl ze in een oplossing gescheiden blijven.

Die scheiding is van cruciaal belang voor fabrikanten die vezels van nanobuisjes willen spinnen, of meng ze in composietmaterialen voor sterkte of om te profiteren van hun elektrische eigenschappen. Voor starters, het vermogen om de nanobuisjes tegelijkertijd te functionaliseren kan de beeldsensoren vooruit helpen, katalyse en door zonne-energie geactiveerde waterstofbrandstofcellen.

Beter nog, een partij nanobuisjes kan blijkbaar wekenlang in water gedispergeerd blijven.

Voorkomen dat koolstofnanobuisjes klonteren in waterige oplossingen en ze combineren met moleculen die nieuwe mogelijkheden toevoegen, zijn vliegen in de zalf voor wetenschappers die het gebruik van deze zeer veelzijdige materialen onderzoeken.

Ze hebben geprobeerd organische moleculen aan de oppervlakken van de nanobuisjes te hechten om zowel functionaliteit als oplosbaarheid toe te voegen. Maar hoewel deze technieken nanobuisjes van elkaar kunnen scheiden, ze eisen hun tol van de elektronica van de nanobuisjes, thermische en mechanische eigenschappen.

Engel Marti, een Rice-assistent-professor scheikunde en bio-engineering en een Norman Hackerman-Welch Young Investigator, en zijn studenten berichtten deze maand in het tijdschrift Royal Society of Chemistry Chemische communicatie dat rutheniumpolypyridylcomplexen zeer effectief zijn in het efficiënt en langdurig dispergeren van nanobuisjes in water. Ruthenium is een zeldzaam metalen element.

Een sleutel is om precies het juiste molecuul voor de klus te hebben. Marti en zijn team creëerden rutheniumcomplexen door het element te combineren met liganden, stabiele moleculen die binden aan metaalionen. Het resulterende moleculaire complex is deels hydrofoob (de liganden) en deels hydrofiel (het ruthenium). De liganden binden sterk aan nanobuisjes, terwijl de aangehechte rutheniummoleculen een interactie aangaan met water om de buisjes in oplossing te houden en ze van elkaar gescheiden te houden.

Een andere sleutel bleek matiging te zijn.

Oorspronkelijk, Mart zei, hij en co-auteurs Disha Jain en Avishek Saha waren er niet op uit om een ​​probleem op te lossen dat scheikundigen al tientallen jaren verbijstert, maar hun bereidheid om "iets geks te doen" wierp zijn vruchten af. Jain is een voormalig postdoctoraal onderzoeker in Marti's lab, en Saha is een afgestudeerde student.

De onderzoekers keken naar rutheniumcomplexen als onderdeel van een studie om amyloïde-afzettingen te volgen die verband houden met de ziekte van Alzheimer. "We begonnen ons af te vragen wat er zou gebeuren als we het metaalcomplex zouden aanpassen zodat het zich aan een nanobuis zou kunnen binden, " zei Marti. "Dat zou voor oplosbaarheid zorgen, individualisering, spreiding en functionaliteit."

Het deed, maar in eerste instantie niet. "Avishek heeft dit gecombineerd met gezuiverde enkelwandige koolstofnanobuisjes (gemaakt via het HiPco-proces van Rice) en gesonificeerd. Er gebeurde helemaal niets. De nanobuisjes kwamen niet in oplossing - ze klonterden gewoon op de bodem.

"Dat was heel raar, maar zo werkt wetenschap - sommige dingen waarvan je denkt dat ze goede ideeën zijn, werken nooit."

Saha verwijderde de vloeistof en liet de samengeklonterde nanobuisjes op de bodem van de centrifugebuis liggen. "Dus ik zei, 'We zullen, waarom doe je niet iets geks. Voeg daar maar water aan toe, en met het beetje ruthenium dat daar misschien achterblijft, probeer de reactie te doen.' Hij deed dat, en de oplossing werd zwart."

Een lage concentratie ruthenium deed de truc. "We ontdekten dat 0,05 procent van het rutheniumcomplex de optimale concentratie is om nanobuisjes op te lossen, " zei Marti. Verdere experimenten toonden aan dat eenvoudige rutheniumcomplexen alleen niet werkten. Het molecuul heeft zijn hydrofobe ligandstaart nodig, die probeert de blootstelling aan water te minimaliseren door zich te binden aan nanobuisjes. "Dat is hetzelfde wat nanobuisjes willen doen, dus het is een gunstige relatie, " hij zei.

Marti ontdekte ook dat de natuurlijke fluorescentie van de nanobuisjes niet werd aangetast door de rutheniumcomplexen. "Ook al zijn ze gezuiverd, die defecten kunnen introduceren, ze vertonen nog steeds een zeer goede fluorescentie, " hij zei.

Hij zei dat bepaalde rutheniumcomplexen het vermogen hebben om lang in een aangeslagen toestand te blijven -- ongeveer 600 nanoseconden, of 100 keer langer dan normale organische moleculen. "Het betekent dat de kans dat het een elektron zal overbrengen groot is. Dat is handig voor toepassingen voor energieoverdracht, die belangrijk zijn voor beeldvorming, " hij zei.

Dat nanobuisjes lang blijven hangen, zou de aandacht moeten trekken van fabrikanten die ze in bulk gebruiken. "Ze moeten zonder problemen wekenlang gescheiden blijven, "Zei Marti. "We hebben oplossingen die al maanden staan ​​zonder tekenen van crashen."