De ontdekking van 30 jaar geleden van voetbalvormige koolstofmoleculen, buckyballs genaamd, zorgde voor een explosie van nanotechnologisch onderzoek. Nutsvoorzieningen, er lijkt een nieuwe bal op het veld te liggen.

Onderzoekers van de Brown University, Shanxi University en Tsinghua University in China hebben aangetoond dat een cluster van 40 booratomen een holle moleculaire kooi vormt die lijkt op een koolstof-buckyball. Het is het eerste experimentele bewijs dat een boorkooistructuur - voorheen slechts een kwestie van speculatie - inderdaad bestaat.

"Dit is de eerste keer dat een boorkooi experimenteel is waargenomen, " zei Lai Sheng Wang, een professor in de chemie aan Brown die het team leidde dat de ontdekking deed. "Als chemicus het vinden van nieuwe moleculen en structuren is altijd spannend. Het feit dat borium het vermogen heeft om dit soort structuren te vormen, is erg interessant."

Wang en zijn collega's beschrijven het molecuul, die ze borospheren hebben genoemd, in het journaal Natuurchemie .

Carbon buckyballs zijn gemaakt van 60 koolstofatomen die in vijfhoeken en zeshoeken zijn gerangschikt om een ​​bol te vormen, zoals een voetbal. Hun ontdekking in 1985 werd al snel gevolgd door ontdekkingen van andere holle koolstofstructuren, waaronder koolstofnanobuisjes. Kort daarna volgde een ander beroemd koolstofnanomateriaal - een vel van één atoom dik, grafeen genaamd.

Na buckyballs, wetenschappers vroegen zich af of andere elementen deze vreemde holle structuren zouden kunnen vormen. Een kandidaat was boor, carbon's buurman op het periodiek systeem. Maar omdat boor één elektron minder heeft dan koolstof, het kan niet dezelfde 60-atoomstructuur vormen als in de buckyball. De ontbrekende elektronen zouden ervoor zorgen dat het cluster op zichzelf instort. Als er een boorkooi bestond, het zou een ander aantal atomen moeten hebben.

Wang en zijn onderzoeksgroep bestuderen al jaren boorchemie. In een eerder dit jaar gepubliceerde paper Wang en zijn collega's toonden aan dat clusters van 36 booratomen schijven van één atoom dik vormen, die aan elkaar kunnen worden genaaid om een ​​analoog van grafeen te vormen, borofeen genoemd. Wangs voorbereidende werk suggereerde dat er ook iets bijzonders was aan boorclusters met 40 atomen. Ze leken abnormaal stabiel in vergelijking met andere boorclusters. Om erachter te komen hoe dat cluster van 40 atomen er in werkelijkheid uitziet, was een combinatie van experimenteel werk en modellering nodig met behulp van krachtige supercomputers.

Op de computer, Wang's collega's modelleerden meer dan 10, 000 mogelijke rangschikkingen van 40 aan elkaar gebonden booratomen. De computersimulaties schatten niet alleen de vormen van de constructies, maar schat ook de elektronenbindingsenergie voor elke structuur - een maat voor hoe stevig een molecuul zijn elektronen vasthoudt. Het spectrum van bindende energieën dient als een unieke vingerafdruk van elke potentiële structuur.

De volgende stap is het testen van de daadwerkelijke bindingsenergieën van boorclusters in het laboratorium om te zien of ze overeenkomen met een van de theoretische structuren die door de computer zijn gegenereerd. Om dat te doen, Wang en zijn collega's gebruikten een techniek die foto-elektronenspectroscopie wordt genoemd.

Brokken bulkboor worden met een laser gezapt om damp van booratomen te creëren. Een straal helium bevriest vervolgens de damp in kleine clusters van atomen. De clusters van 40 atomen werden geïsoleerd op gewicht en vervolgens gezapt met een tweede laser, waardoor een elektron uit de cluster wordt geslagen. Het uitgeworpen elektron vliegt door een lange buis die Wang zijn 'elektronenracebaan' noemt. De snelheid waarmee de elektronen over het circuit vliegen, wordt gebruikt om het elektronenbindende energiespectrum van de cluster te bepalen - de structurele vingerafdruk.

De experimenten toonden aan dat clusters van 40 atomen twee structuren vormen met verschillende bindingsspectra. Die spectra bleken perfect overeen te komen met de spectra voor twee structuren die door de computermodellen waren gegenereerd. De ene was een halfplat molecuul en de andere was de buckyball-achtige bolvormige kooi.

"De experimentele waarneming van een bindend spectrum dat overeenkwam met onze modellen was van het allergrootste belang, Wang zei. "Het experiment geeft ons deze zeer specifieke handtekeningen, en die handtekeningen passen bij onze modellen."

Het borospheren-molecuul is niet zo bolvormig als zijn koolstof-neef. In plaats van een reeks van vijf- en zesledige ringen gevormd door koolstof, borospheren bestaat uit 48 driehoeken, vier zevenzijdige ringen en twee zesledige ringen. Verschillende atomen steken een beetje uit de andere, waardoor het oppervlak van borospheren iets minder glad is dan een buckyball.

Wat betreft mogelijke toepassingen voor borospheren, het is een beetje te vroeg om te zeggen, zegt Wang. een mogelijkheid, hij maakt duidelijk, waterstofopslag zou kunnen zijn. Vanwege de elektronendeficiëntie van boor, borospheren zou waarschijnlijk goed binden met waterstof. Dus kleine boorkooien zouden kunnen dienen als veilige huizen voor waterstofmoleculen.

Maar voor nu, Wang geniet van de ontdekking.

"Voor ons, gewoon om de eerste te zijn die dit heeft opgemerkt, dat is nogal wat, Wang zei. "Natuurlijk, als het nuttig blijkt te zijn, zou dat geweldig zijn, maar we weten het nog niet. Hopelijk zal deze eerste bevinding verdere interesse in boorclusters en nieuwe ideeën stimuleren om ze in grote hoeveelheden te synthetiseren."