Behandelde buckyballs verwijderen niet alleen waardevolle maar potentieel giftige metaaldeeltjes uit water en andere vloeistoffen, maar reserveer ze ook voor toekomstig gebruik, volgens wetenschappers van Rice University.

Het Rice-lab van chemicus Andrew Barron heeft ontdekt dat koolstof-60 fullerenen (ook bekend als buckyballs) die het chemische proces hebben doorlopen dat bekend staat als hydroxylering, kunnen aggregeren tot parelachtige snaren terwijl ze zich binden aan en metalen scheiden - sommige beter dan andere - van oplossingen . Mogelijke toepassingen van het proces zijn onder meer de milieuvriendelijke verwijdering van metalen uit zure drainagevloeistoffen voor mijnbouw, een afvalproduct van de kolenindustrie, evenals uit vloeistoffen die worden gebruikt voor hydraulisch breken bij de productie van olie en gas.

Barron zei dat de behandelde buckyballs metalen met verschillende ladingen op onverwachte manieren behandelden, die het mogelijk maken om specifieke metalen uit complexe vloeistoffen te halen terwijl andere worden genegeerd.

De studie onder leiding van Rice-student Jessica Heimann verscheen in het tijdschrift Royal Society of Chemistry Dalton-transacties .

Eerder onderzoek in het laboratorium van Barron had aangetoond dat gehydroxyleerde fullerenen (bekend als fullerenolen) gecombineerd met ijzerionen om een ​​onoplosbaar polymeer te vormen. Heimann en collega's voerden een reeks experimenten uit om het relatieve bindingsvermogen van fullerenolen aan een reeks metalen te onderzoeken.

"Het is allemaal heel goed om te zeggen dat ik metalen uit water kan halen, maar voor complexere vloeistoffen, het probleem is om degene eruit te halen die je echt wilt, "Zei Barron. "Zuur mijnbouwafval, bijvoorbeeld, heeft grote hoeveelheden ijzer en aluminium en kleine hoeveelheden nikkel en zink en koper, degene die je wilt. Om eerlijk te zijn, ijzer en aluminium zijn niet de slechtste metalen om in je water te hebben, omdat ze in natuurlijk water zijn, hoe dan ook.

"Dus ons doel was om te kijken of er een voorkeur is tussen verschillende soorten metaal, en we hebben er een gevonden. Toen was de vraag:waarom?"

Het antwoord zat in de ionen. Een atoom of molecuul met meer of minder elektronen dan protonen is een ion, met een positieve of negatieve lading. Alle metalen die het Rice-lab heeft getest, waren positief, met ofwel 2-plus of 3-plus kosten.

"Normaal gesproken, hoe groter het metaal, hoe beter het scheidt, "Barron zei, maar experimenten bewezen het tegendeel. Twee-plus metalen met een kleinere ionische straal bonden beter dan grotere. (Van deze, zink het sterkst gebonden.) Maar voor 3-plus ionen, groot werkte beter dan klein.

"Dat is echt raar, Barron zei. "Het feit dat er diametraal tegenovergestelde trends zijn voor metalen met een 2-plus lading en metalen met een 3-plus lading maakt dit interessant. Het resultaat is dat we bij voorkeur de metalen die we willen scheiden moeten kunnen scheiden."

Uit de experimenten bleek dat fullerenolen in combinatie met een tiental metalen, ze veranderen in vaste verknoopte polymeren. In volgorde van effectiviteit en beginnend met de beste, de metalen waren zink, kobalt, mangaan, nikkel, lanthaan, neodymium, cadmium, koper, zilver, calcium, ijzer en aluminium.

De "parel" verwijzing is niet ver van letterlijk, een van de inspiratiebronnen voor het artikel was het feit dat metaalionen verknopingsmiddelen zijn voor eiwitten die bepaalde zeemosselen een verbazingwekkend vermogen geven om zich aan natte rotsen te hechten.

Heimann, een senior, begon aan het project voordat hij een semester aan de zusterinstelling van Rice in Duitsland doorbracht, Jacobs Universiteit. "Ik werkte aanvankelijk met koolstofnanobuisjes, ze oxideren om te zien hoe ze metalen zouden binden, en toen ging ik naar het buitenland, ' zei ze. Tegen de tijd dat ze terugkwam, Barron was klaar om C-60 te proberen. "Afkomstig uit Rice en zijn geschiedenis met buckyballs, Ik dacht dat dat heel cool zou zijn, ' zei Heimann.

"Ik vond het leuk om het einddoel te zien van het maken van een filter dat kan worden gebruikt om vervuild water aan te pakken, " ze zei.

Barron zei dat fullerenolen werken als chelaatmiddelen, die bepalen hoe ionen en moleculen binden met metaalionen. Experimenten met verschillende metalen toonden aan dat de fullerenolen ermee gebonden waren in minder dan een minuut, waarna de gecombineerde vaste stoffen konden worden uitgefilterd.

Barron zei dat de keuzes van aluminium, zink en nikkel voor het testen waren vanwege hun gelijktijdige aanwezigheid met ijzer in zuur mijnbouwdrainagewater. evenzo, cadmium werd getest op zijn associatie met kunstmest en zuiveringsslib en koper met mijnafvoer. Nikkel, lanthaan en neodymium worden gebruikt in batterijen en aandrijfmotoren in hybride voertuigen.

Barron zei dat het onderzoek de veelzijdigheid van de buckyball aantoont, ontdekt bij Rice in 1985 door Nobelprijswinnaars Rick Smalley, Robert Krul en Harold Kroto. Het wijst ook de weg vooruit. "Het begrip dat we nu hebben, stelt ons in staat om alternatieven voor C-60's te vinden om manieren te ontwerpen waarop we metalen efficiënter kunnen scheiden, " hij zei.