Wetenschappers van de Florida State University bieden een nieuw inzicht in hoe een intrigerend nanomateriaal - metallofullereen - wordt gevormd in een recent gepubliceerd onderzoek.

Metallofullerenen maken deel uit van de koolstoffamilie, en verwant aan wat in de volksmond bekend staat als buckyballs. Buckyballs, of fullerenen, zijn hol, voetbal-vormig, bolvormige kooien die een basisvorm van koolstof vertegenwoordigen. De lege ruimtes in de fullerenen kunnen metaalatomen vangen, resulterend in metallofullerenen.

"Metallofullerenen zijn een unieke vorm van moleculaire nanokoolstof, " zegt FSU-chemicus Paul Dunk, een co-auteur van de studie. "Ze zijn potentieel nuttig in een aantal biomedische diagnostiek, in het bijzonder als MRI-contrastmiddelen."

De gepubliceerde bevindingen kunnen helpen de weg vrij te maken voor op metallofullereen gebaseerde toepassingen die variëren van biogeneeskunde tot hernieuwbare energie. Het artikel, "Bottom-up vorming van endohedrale metallofullerenen wordt gestuurd door ladingsoverdracht, " werd gepubliceerd in het decembernummer van Natuurcommunicatie .

"Onder bepaalde omstandigheden, metallofullerenen kunnen spectaculaire eigenschappen hebben waardoor ze gewaardeerd worden als geavanceerde materialen voor een reeks technologieën, zoals omzetting van zonlicht in elektriciteit en als mogelijke componenten van moleculaire elektronica, ' zei Dunk.

De in metaal ingekapselde koolstofkooien kunnen zelfs belangrijke kosmische moleculen zijn, vormen in stellaire omgevingen en sterrenstof.

Om te ontdekken hoe metallofullerenen in een laboratorium worden gesynthetiseerd, het onderzoeksteam vertrouwde op de instrumentatie met hoog magnetisch veld die beschikbaar is in de Ion Cyclotron Resonance-faciliteit van het National High Magnetic Field Laboratory. Het internationale team bestond uit:Harry Kroto uit de staat Florida, ontvanger van de 1996 Nobelprijs voor de chemie voor de ontdekking van fullerenen; MagLab-chemici; en wetenschappers van de Universiteit Rovira i Virgili in Spanje en de Nagoya Universiteit in Japan.

Metallofullerenen worden gemaakt door een verbazingwekkend eenvoudig proces:meng grafiet en een metaal, en verdamp het dan tot roet, die eruitziet als het zwarte spul van een kaarsvlam. Van dat roet, metallofullerenen worden op mysterieuze wijze gevonden.

"Door koolstof en metaal onder de juiste omstandigheden te verdampen, deze fascinerende materialen assembleren spontaan, "Zei Dunk. "Maar als de primaire manier waarop ze zich vormen niet eens bekend is, het is moeilijk om erachter te komen hoe deze opwindende moleculen beter kunnen worden geproduceerd."

Terwijl lege kooien zoals Buckminsterfullereen, C60, zijn vandaag beschikbaar in tonnen, metallofullerenen hebben last van beperkte hoeveelheden, waardoor onderzoek dat het materiaal volledig verkent, wordt belemmerd.

"We zagen voor het eerst bewijs voor metallofullerenen, slechts enkele dagen na de ontdekking van Buckminsterfullereen in 1985, maar we wisten niet zeker hoe ze gevormd waren. Het was gewoon verbazingwekkend dat ze het zelfs deden, "Zei Kroto. "Dat was bijna drie decennia geleden. Ondanks grote vooruitgang in de afgelopen 10 jaar, het vormingsproces is zeer uitdagend gebleken omdat het in een oogwenk gebeurt."

Om de al lang bestaande puzzel bloot te leggen, onderzoekers gebruikten een laser om met metaal gedoteerd grafiet op te blazen, en de gevormde complexe producten werden geanalyseerd door de 9,4-tesla Fourier-transformatie-ionencyclotronresonantiemassaspectrometer van het laboratorium. Dankzij de krachtige analysetechniek kon het team de vorming van metallofullerenen met maar liefst 90 verschillende elementen nauwgezet bestuderen. bijna alle beschikbare elementen van het periodiek systeem.

Dankzij de ongekende resultaten kon het vormingsmechanisme worden samengevoegd, voortbouwend op recent pionierswerk aan lege kooien van dezelfde groep.

Eerder, er werd voorspeld dat vlakke koolstofplaten uit grafiet zouden worden uitgeworpen en dicht bij elkaar zouden komen om gigantische metallofullerenen te vormen, die vervolgens hypothetisch zouden kunnen "krimpen" tot middelgrote kooien die het meest worden gebruikt in de biogeneeskunde en technologie.

Echter, de onderzoekers zagen een tegenovergestelde uitkomst in hun experimenten. Ze ontdekten dat een metaalatoom aanvankelijk koolstof kiemt om zeer kleine metallofullerenen te vormen, die vervolgens uitgroeien tot de bekende grotere kooimaten.

Het type ingekapseld metaal bleek significant van invloed te zijn op hoe snel de kleine metallofullerenen uitgroeiden tot de meest bruikbare middelgrote kooien, wat zou kunnen helpen de lage opbrengst van metallofullerenen te verklaren door gebruik te maken van typische synthesemethoden.

Verduidelijking van de manier waarop de moleculaire constructie van deze in metaal ingekapselde koolstofkooien plaatsvindt, zou moeten helpen om nieuwe richtingen in nanotechnologie te openen.

"We hopen dat deze resultaten nuttig zullen zijn bij het bedenken van nieuwe productiestrategieën om metallofullereentoepassingen volledig te realiseren en hun verbazingwekkende eigenschappen verder te verkennen, wat zeker ten goede zou komen aan de samenleving, ' zei Dunk.