Vanwege hun unieke eigenschappen zijn enkelwandige koolstofnanobuizen voorgesteld als een veelbelovend materiaal voor elektronica, optica en op andere gebieden van de materiaalkunde. Toen wetenschappers van Umea University en Aalto University een reactie probeerden uit te voeren tussen waterstofgas en fullereenmoleculen ingekapseld in nanobuisjes, leek plotseling iets zeer onwaarschijnlijks mogelijk.

"Chemie op nanometerschaal lijkt vaak anders te zijn dan chemie op normale schaal en koolstofnanobuisjes bieden ideale omstandigheden voor onderzoek naar reacties in nanoruimte, " zegt Alexandr Talyzin, docent bij de faculteit Natuurkunde, Universiteit van Umeå.

De standaardbenadering om chemische reacties te maken in enkelwandige koolstofnanobuizen, SWNT's, is om de binnenruimte te vullen met moleculen (bijv. fullerenen, waardoor zogenaamde peapods worden gevormd) en ze met elkaar laten reageren.

De wanden van de nanobuisjes beschermen de ingekapselde moleculen dan tegen de ruimte en maken reacties met moleculen en atomen buiten de buis onmogelijk. Zodra de SWNT's zijn gevuld met C ₆₀ moleculen er is niet genoeg ruimte voor waterstofmoleculen om naar binnen te gaan. Dat was de algemene mening toen de onderzoeksgroepen een paar jaar geleden met hun experimenten begonnen.

Maar hun experimenten laten er geen twijfel over bestaan, waterstof dringt inderdaad door in de erwt en reageert met fullerenen. Het bewijs is nogal direct, wanneer de temperatuur en druk van de hydrogenering tot extreme waarden worden gebracht, stort de fullereenkooi volledig in en worden grote waterstofmoleculen gevormd. Dit werd bevestigd door zowel Raman-spectroscopie als TEM met hoge resolutie.

De studie geeft nog een voorbeeld dat chemische reacties in nanoreactoren niet altijd hetzelfde zijn als in 'normale' omstandigheden. In een driedimensionale structuur kunnen moleculen in alle mogelijke richtingen reageren met hun buren, omhoog, omlaag, Rechtsaf, links enz.

"Binnen in koolstofnanobuisjes heeft het fullereenmolecuul slechts twee buren, laten we zeggen naar rechts en naar links. evenzo, de reactie met waterstof is ook beperkt tot één dimensie, ' zegt Alexandr Talyzin.

Een groot voordeel is dat zelfs enkele moleculen binnen SWNT's kunnen worden waargenomen met behulp van hoge resolutie elektronenmicroscopie, iets extreem moeilijks voor bulkpoeders, hij voegt toe. Beelden van hoge kwaliteit verzameld aan de Aalto University stelden de wetenschappers in staat om niet alleen door waterstof geïnduceerde ineenstorting van C60 te observeren, maar ook door waterstof aangedreven coalescentie van moleculen tot ketenpolymeren en buisjes.

"Wat we hebben geleerd is een vrij algemeen resultaat voor nanochemie. Nu hebben we direct bewijs dat moleculen in SWNts kunnen reageren met gassen. Het opent enorme mogelijkheden voor de synthese van nieuwe hybride materialen en chemische modificatie van ingekapselde moleculen en materialen, ' zegt Alexandr Talyzin.