Wetenschappers hebben ontdekt dat een ruimte in een speciaal type koolstofmolecuul kan worden gebruikt om andere kleinere moleculen zoals waterstof of water op te sluiten.

De holte van de holle bolvormige C60 Buckminsterfullereen - of buckyball - ter grootte van een nanometer vormt in feite een 'nanolaboratorium', waardoor gedetailleerde studie van de kwantummechanische principes die de beweging van het gekooide molecuul bepalen, inclusief het mysterieuze golfachtige gedrag dat een fundamentele eigenschap is van alle materie.

Experimenten door de internationale samenwerking van onderzoekers, waaronder natuurkundigen van de Universiteit van Nottingham, hebben het golfachtige gedrag onthuld en laten zien hoe de gevangen H2- en H2O-moleculen 'quantum ratelen' in hun kooi.

Professor Tony Horsewill, van de School voor Natuur- en Sterrenkunde aan de Universiteit van Nottingham, zei:"Voor mij kwam veel van de motivatie voor het uitvoeren van dit onderzoek voort uit het pure plezier om zo'n uniek en mooi molecuul te bestuderen en de fascinerende inzichten die het gaf in de fundamenten van de kwantummoleculaire dynamica te plagen. Intellectueel, het is enorm leuk geweest.

"Echter, zoals bij elk onderzoek naar blauwe luchten is er altijd de belofte van nieuwe, vaak onvoorzien, toepassingen. Inderdaad, in het geval van watermoleculen in bucky balls hebben we een gastmolecuul met een elektrisch dipoolmoment en de samenwerking onderzoekt al het gebruik ervan in moleculaire elektronica, ook als innovatief onderdeel van een moleculaire transistor."

Het onderzoek, waarbij wetenschappers uit de VS betrokken waren, Japan, Frankrijk, Estland en de universiteiten van Nottingham en Southampton in het VK, is onlangs gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

De ontdekking van de C60 Buckminsterfullereen, en de verwante klasse van moleculen de fullerenen, in het midden van de jaren tachtig verdiende professoren Harry Kroto, Robert Curl en wijlen Richard Smalley de Nobelprijs voor de Scheikunde in 1996.

Het heeft een kooiachtige bolvormige structuur die bestaat uit 20 zeshoeken en 12 vijfhoeken en lijkt op een voetbal, waardoor het de bijnaam 'bucky ball' kreeg.

In een recente doorbraak in de synthetische chemie, de Japanse wetenschappers uit Kyoto hebben een moleculaire chirurgietechniek uitgevonden waarmee ze met succes kleine moleculen zoals H2 en H2O in C60 permanent kunnen afdichten.

Ze gebruikten een reeks chirurgische synthetische procedures om de C60 'kooi' te openen, waardoor een opening ontstond die groot genoeg was om een ​​H2- of H2O-molecuul met hoge temperatuur en druk naar binnen te 'duwen'. Het systeem werd vervolgens afgekoeld om het ingesloten molecuul binnenin te stabiliseren en de kooi werd chirurgisch gerepareerd om een ​​C60 te reproduceren.

Professor Horsewill voegde toe:"Deze techniek slaagt erin om misschien wel het mooiste molecuul C60 van het universum te combineren met zijn eenvoudigste."

De onderzoeksgroep van Nottingham heeft een techniek gebruikt die inelastische neutronenverstrooiing (INS) wordt genoemd, waarbij een bundel neutronen, fundamentele deeltjes waaruit de atoomkern bestaat, wordt gebruikt om de 'kooiratelende' beweging van de gastmoleculen in de C60 te onderzoeken.

Hun onderzoek heeft inzicht gegeven in de golfachtige aard van H20- en H2-moleculen en hun orbitale en roterende beweging terwijl ze binnen de C60 bewegen.

Professor Malcolm Levitt, van de School of Chemistry aan de Universiteit van Southampton, die de techniek nucleaire magnetische resonantie (NMR) heeft gebruikt om de kwantumeigenschappen van de gekooide moleculen te bestuderen, zei:"Door kleine moleculen zoals water op te sluiten in kooien van fullereen, bieden we de gecontroleerde omgeving van een laboratorium, maar op de schaal van ongeveer één nanometer.

"Onder deze voorwaarden, de opgesloten moleculen vertonen een golfachtig karakter en gedragen zich volgens de wetten van de kwantummechanica. Naast hun intrinsieke interesse, we verwachten dat de bijzondere eigenschappen van deze materialen tot uiteenlopende toepassingen zullen leiden, zoals nieuwe manieren om de beelden van MRI-scans helderder te maken, en nieuwe soorten computergeheugen."

Het werk gepubliceerd in de PNAS papier heeft ook afzonderlijk twee subtiel verschillende vormen van H2O geïdentificeerd - ortho-water en para-water. Deze zogenaamde nucleaire spin-isomeren danken hun eigen identiteit ook aan kwantummechanische principes.