(Phys.org) -- Na 25 jaar verkennen, wetenschappers hebben de vraag opgelost hoe de iconische familie van koolstofmoleculen in kooien, bekend als buckyballs, wordt gevormd.

De resultaten van de Florida State University en het door de National Science Foundation ondersteunde National High Magnetic Field Laboratory, of MagLab, in Tallahassee, Fla., fundamenteel licht werpen op de zelfassemblage van koolstofnetwerken. De bevindingen zouden belangrijke implicaties moeten hebben voor koolstofnanotechnologie en inzicht geven in de oorsprong van ruimtefullerenen, die in het hele universum voorkomen.

Veel mensen kennen de buckyball, ook bekend door wetenschappers als buckminsterfullereen, koolstof 60 of C ₆₀ , van de omslagen van hun scheikundeboeken op school. Inderdaad, het molecuul vertegenwoordigt het iconische beeld van 'chemie'. Maar hoe deze vaak zeer symmetrische, prachtige moleculen met fascinerende eigenschappen vormen in de eerste plaats is al een kwart eeuw een mysterie. Ondanks wereldwijd onderzoek sinds de ontdekking van C . in 1985 ₆₀ , buckminsterfullereen en andere, niet-sferische C60-moleculen - gezamenlijk bekend als fullerenen - hebben hun geheimen bewaard. Hoe? Ze worden geboren onder zeer energetische omstandigheden en groeien ultrasnel, waardoor ze moeilijk te analyseren zijn.

"De moeilijkheid met de vorming van fullereen is dat het proces letterlijk in een flits voorbij is - het is bijna onmogelijk om te zien hoe de magische truc van hun groei werd uitgevoerd, " zei Paul Dunk, een doctoraalstudent scheikunde en biochemie aan de staat Florida en hoofdauteur van het werk.

In de studie, gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift Natuurcommunicatie , de wetenschappers beschrijven hun ingenieuze benadering om te testen hoe fullerenen groeien.

“We zijn begonnen met een pasta van reeds bestaande fullereenmoleculen gemengd met koolstof en helium, schoot het met een laser, en in plaats van de fullerenen te vernietigen, waren we verrast om te ontdekken dat ze echt waren gegroeid, schreven ze. De fullerenen waren in staat om koolstof uit het omringende gas te absorberen en op te nemen.

Door fullerenen te gebruiken die zware metaalatomen in hun centra bevatten, de wetenschappers toonden aan dat de koolstofkooien gedurende het hele proces gesloten bleven.

"Als de kooien groeiden door open te splijten, we zouden de metaalatomen hebben verloren, maar ze bleven altijd binnen opgesloten, ’ merkte Dunk op.

De onderzoekers werkten samen met een team van MagLab-chemici met behulp van de 9,4-tesla Fourier-transformatie-ionencyclotronresonantiemassaspectrometer van het laboratorium om de tientallen moleculaire soorten te analyseren die werden geproduceerd toen ze de fullereenpasta met de laser beschoten. Het instrument werkt door moleculen te scheiden op basis van hun massa, waardoor de onderzoekers de soorten en aantallen atomen in elk molecuul kunnen identificeren. Het proces wordt gebruikt voor uiteenlopende toepassingen zoals het identificeren van olielozingen, biomarkers en eiwitstructuren.

De onderzoeksresultaten van Buckyball zullen belangrijk zijn voor het begrijpen van de vorming van fullereen in buitenaardse omgevingen. Recente rapporten van NASA toonden aan dat kristallen van C ₆₀ zijn in een baan rond verre zonnen. Dit suggereert dat fullerenen mogelijk vaker voorkomen in het universum dan eerder werd gedacht.

"De resultaten van onze studie zullen zeker zeer waardevol zijn bij het ontcijferen van fullereenvorming in buitenaardse omgevingen, ", zei Harry Kroto van de staat Florida, een Nobelprijswinnaar voor de ontdekking van C ₆₀ en co-auteur van de huidige studie.

De resultaten bieden ook fundamenteel inzicht in de zelfassemblage van andere technologisch belangrijke koolstofnanomaterialen zoals nanobuisjes en het nieuwe wonderkind van de koolstoffamilie, grafeen.