(PhysOrg.com) -- Wat eruitziet als een sponsachtige bal gewikkeld in strengen garen -- maar een stuk kleiner -- zou de sleutel kunnen zijn tot het ontsluiten van betere katalysemethoden, kunstmatige fotosynthese of het splitsen van water in waterstof, volgens chemici van Rice University die een platform hebben gecreëerd om interacties tussen koolstofnanobuisjes en een breed scala aan fotoluminescente materialen te analyseren.

De microscopisch kleine deeltjes verzameld in het lab van Angel Martí, een assistent-professor scheikunde en bio-engineering, combineer enkelwandige koolstofnanobuizen met poreuze silicaatmaterialen die verschillende moleculen kunnen absorberen -- in dit geval een rutheniumcomplex.

Mart, afgestudeerde student en hoofdauteur Avishek Saha en hun collega's rapporteerden hun resultaten vandaag in het tijdschrift Royal Society of Chemistry Chemische Wetenschap.

Het vermogen om individuele koolstofnanobuisjes op een vast oppervlak te immobiliseren is interessant genoeg, maar het combineren van supramoleculaire systemen met nanomaterialen om hybriden te produceren is uniek, ze zeiden.

"Dit kan worden gebruikt als een algemeen platform om de interactie van niet alleen rutheniumcomplexen, maar de meeste fotoactieve moleculen kunnen op een zeer eenvoudige manier in deze poreuze silicaten worden ingekapseld zonder chemische modificatie, zonder iets, ' zei Mart.

Saha onderging vallen en opstaan ​​bij elke stap om de nieuwe deeltjes tot wasdom te brengen, eerst uitzoeken wat de beste manier is om lang te bewaren, enkelwandige koolstofnanobuisjes geproduceerd door het Rice-born HiPco-proces aggregeren in bundels terwijl ze aan de deeltjes kunnen hechten.

De oplossing voorgesteld door co-auteur Matteo Pasquali, een Rice-professor in chemische en biomoleculaire engineering en in chemie, omvatte het oplossen van de bundels in chloorsulfonzuur, die protonen - en dus een positieve lading - aan elke nanobuis toevoegde.

Dat was de sleutel om nanobuisjes aantrekkelijk te maken voor de drie soorten geteste silicaatdeeltjes:een commerciële versie van MCM-41, een mesoporeus materiaal dat als moleculaire zeef wordt gebruikt; een andere versie van MCM-41 gesynthetiseerd bij Rice door Saha, en microporeuze Zeoliet-Y.

"We begrijpen het mechanisme niet helemaal, maar de waarheid is dat ze een zeer sterke affiniteit hebben met siliciumoxidenetwerken, " zei Mart, beschrijven van de nanobuis-verpakte deeltjes. "Als ze eenmaal geprotoneerd zijn, ze binden gewoon."

Maar dat was niet genoeg om een ​​goed platform te creëren, omdat geprotoneerde nanodeeltjes niet langer fotoluminescerend zijn, een kwaliteit die de onderzoekers nodig hadden om zulke kleine structuren onder een spectroscoop te "zien". "Geprotoneerde nanobuisjes zijn cool, maar we willen ongerepte nanobuisjes hebben, ' zei Mart.

"We zaten daar een tijdje vast. We hebben veel dingen geprobeerd, "zei hij. Aceton, ammoniak, chloroform en andere stoffen zouden de nanobuisjes deprotoneren, maar zou ze ook losmaken van de silicaatsponzen en ze laten klonteren. Maar vinylpyrrolidon (VP) deed het door de nanobuisjes een polymeerachtige coating te geven en ze terug te brengen naar hun oorspronkelijke staat.

"Dit wordt niet alleen interessant vanuit het oogpunt van geïndividualiseerde nanobuisjes bovenop een oppervlak, maar ook omdat we fluorescentie van nanobuisjes kregen, niet uit een oplossing, maar van een vast materiaal, ' zei Mart.

Het experiment ging nog een cruciale stap verder toen de onderzoekers rutheniummoleculen aan de mix introduceerden. De silicaten absorbeerden de rutheniummoleculen, door ze dicht bij elkaar te plaatsen met een reeks nanobuisjes. Onder een spectroscoop, de rutheniumcomplexen zouden fotoluminesceren, maar ze zagen iets onverwachts in de interactie.

"In principe, we ontdekten dat als je een fotoactieve soort (ruthenium) daar plaatst en het met licht opwekt, twee verschillende processen plaatsvinden. Als er koolstofnanobuisjes in de buurt zijn, het zal een elektron overbrengen naar de nanobuisjes. Er is een overdracht van kosten, en we wisten dat dat zou gebeuren, Martí zei. "Wat we niet hadden verwacht toen we het spectrum analyseerden, was het zien van twee verschillende soorten rutheniumcomplexen, een met een zeer korte levensduur van de fotoluminescentie en een zeer lange."

De onderzoekers theoretiseerden dat ruthenium in het midden van de spons te ver van de nanobuisjes was om elektronen over te dragen, dus het behield zijn standaard luminescentie.

Het onderzoek leidt tot enkele interessante mogelijkheden voor materiaalkunde, zei Saha. "MCM zelf heeft veel toepassingen (als mesoporeuze zeef in brandstofraffinaderijen, bijvoorbeeld), en koolstofnanobuisjes zijn prachtige materialen waar veel mensen in geïnteresseerd zijn. We combineren deze twee gewoon tot een hybride materiaal dat de voordelen van beide kan hebben."

Terwijl de poriegroottes in zeolieten worden vastgehouden door hun kristallijne structuur op 0,7 nanometer, poriën in MCM kunnen worden aangepast, zoals Saha heeft gedaan, om bepaalde materialen op te nemen. "Er zijn veel dingen die we kunnen doen om het systeem af te stemmen die we nog niet hebben onderzocht, " zei hij; het combineren van metaalmoleculen of zelfs kwantumdots met MCM en nanobuisjes kan tot interessante resultaten leiden.

Martí zei dat het plaatsen van geladen nanobuisjes op het oppervlak van een vaste stof ook de deur opent om ze te gebruiken als katalysatoren bij de omzetting van zonne-energie. "Je hebt die drijvende kracht nodig, die ladingsscheiding, voor kunstmatige fotosynthese, " hij zei.