Nieuwe afstembare metallofullerenen zijn ontwikkeld door een onderzoeksteam, waaronder wetenschappers van de University of Electro-Communications, Tokio.

Kleine moleculen op nanoschaal in de vorm van bolvormige koolstofkooien, of 'fullerenen', hebben de afgelopen jaren veel aandacht gekregen. Individuele of kleine groepen atomen kunnen worden opgesloten in fullerenen, het creëren van stabiele moleculen met unieke elektronische structuren en ongebruikelijke eigenschappen die kunnen worden benut op het gebied van nanomaterialen en biomedische wetenschap.

Endohedrale metallofullerenen (EMF's) zijn zo'n klasse van moleculen, waarin een of meer metaalatomen zijn ingekapseld in vele soorten koolstofkooien. Cruciaal, de metaalatomen zijn niet chemisch gebonden aan de koolstofranden, maar ze doneren wel elektronen aan de koolstofkooi. Wetenschappers zijn onlangs begonnen te begrijpen hoe ze de beweging kunnen beheersen, gedrag en positionering van de ingesloten atomen door andere atomen toe te voegen, zoals silicium of germanium (in hun silyl- of germylgroepen), naar het fullereen oppervlak. Dit maakt de manipulatie en fijnafstemming van de EMF-eigenschappen mogelijk.

Nutsvoorzieningen, Masahiro Kako en medewerkers aan de Universiteit van Elektrocommunicatie in Tokio, samen met wetenschappers in Japan en de VS, hebben de effecten van silylation en germylation op een EMF genaamd Lu3N@Ih-C80 (drie lutetiumatomen gebonden aan een stikstofatoom in een koolstof 80-kooi) gecreëerd en geanalyseerd.

Met behulp van röntgenkristallografie, elektrochemische analyses en theoretische berekeningen, het team ontdekte dat het toevoegen van silylgroepen of germylgroepen aan de fullereenstructuur een veelzijdige manier was om de elektronische eigenschappen van de EMF te regelen. De exacte positionering van de silyl- of germylgroepen in binding aan de koolstofstructuur bepaalde de energiehiaten in de EMF, en bepaalde de oriëntatie van de gebonden metaalatomen in de kooi.

De germylgroepen doneerden meer elektronen en het proces werkte iets efficiënter dan de silylgroepen, maar Kako en zijn team zijn van mening dat beide een effectieve manier zijn om EMF elektronische kenmerken te verfijnen.

Een korte geschiedenis van fullerenen

Fullerenen zijn koolstofmoleculen die de vorm van bollen aannemen. Het bekendste en meest voorkomende fullereen is het buckminsterfullereen, of 'buckyball', C60, die lijkt op een voetbal in vorm met een gebonden koolstofatoom op elk punt van elke veelhoek.

Endohedrale metallofullerenen, of EMV's, worden gemaakt door een metaalatoom of atomen op te sluiten in een kooi van fullereen, eerder als een hamster in een bal. De opgesloten atomen zijn niet chemisch gebonden aan de koolstof, maar ze interageren ermee door elektronen te doneren, waardoor unieke en zeer bruikbare moleculen worden gecreëerd voor nanomateriaalwetenschap en biogeneeskunde.

Silylering en kieming

De toevoeging van andere atomen aan fullereen-oppervlakken kan de EMF-eigenschappen beïnvloeden, door het gedrag van de metaalatomen in de fullereen kooi te reguleren. In één EMF, de beweging van lanthaanatomen wordt beperkt tot twee dimensies door de toevoeging van silylgroepen aan de koolstofkooi. Dit verandert de elektrostatische potentialen in de kooi en beperkt de mobiliteit van de lanthaanatomen. en verandert dus de algemene eigenschappen van het hele molecuul.

Deze studie door Masahiro Kako en collega's vergroot het begrip van de effecten van silylering en germalytie (de toevoeging van op silicium gebaseerde en op germanium gebaseerde groepen) op op lutetium gebaseerde EMV's verder. Het team heeft aangetoond dat de exacte positionering van de extra atomen in de koolstofstructuur de energiehiaten in het molecuul kan beïnvloeden, waardoor ze de elektronische eigenschappen van de EMF kunnen afstemmen. Dit vermogen om EMV's te 'finetunen' zou enkele toepassingen kunnen hebben voor functionele materialen in moleculaire elektronica, zoals acceptoren in organische fotovoltaïsche apparaten.

Kako en zijn team hopen verder onderzoek te doen naar de toevoeging van alternatieve groepen atomen aan fullerenen, om toe te voegen aan de afstemmingseigenschappen van op silicium en germanium gebaseerde groepen. Dit zou de veelzijdigheid van EMV's en hun potentiële toepassingen in de toekomst kunnen vergroten.