Supramolekyler får tid til at skinne

(PhysOrg.com) -- Hvad der ligner en svampet kugle pakket ind i tråde af garn -- men meget mindre -- kunne være nøglen til at låse op for bedre metoder til katalyse, kunstig fotosyntese eller spaltning af vand til brint, ifølge Rice University kemikere, der har skabt en platform til at analysere interaktioner mellem kulstof nanorør og en bred vifte af fotoluminescerende materialer.

De mikroskopiske partikler samlet i Angel Martí's laboratorium, en adjunkt i kemi og bioteknik, kombinere enkeltvæggede kulstofnanorør med porøse silikatmaterialer, der kan absorbere forskellige molekyler - i dette tilfælde, et rutheniumkompleks.

Martí, kandidatstuderende og hovedforfatter Avishek Saha og deres kolleger rapporterede deres resultater i dag i tidsskriftet Royal Society of Chemistry Kemisk Videnskab.

Evnen til at immobilisere individuelle kulstofnanorør på en fast overflade er interessant nok, men at kombinere supramolekylære systemer med nanomaterialer for at producere hybrider er unikt, de sagde.

"Dette kan bruges som en generel platform til at studere interaktionen mellem ikke kun rutheniumkomplekser, men de fleste fotoaktive molekyler kan indkapsles i disse porøse silikater på en meget enkel måde uden kemisk modifikation, uden noget, " sagde Marti.

Saha udholdt trial and error ved hvert skridt i at bringe de nye partikler til virkelighed, først finde ud af den bedste måde at holde længe på, enkeltvæggede kulstofnanorør produceret af den ris-fødte HiPco-proces fra at aggregere til bundter, mens de lader dem klæbe til partiklerne.

Løsningen foreslået af medforfatter Matteo Pasquali, en risprofessor i kemisk og biomolekylær teknik og i kemi, involveret at opløse bundterne i chlorsulfonsyre, som tilføjede protoner - og dermed en positiv ladning - til hvert nanorør.

Det var nøglen til at gøre nanorør attraktive for de tre typer af testede silikatpartikler:en kommerciel version af MCM-41, et mesoporøst materiale, der anvendes som en molekylsigte; en anden version af MCM-41 syntetiseret på Rice af Saha, og mikroporøs Zeolyte-Y.

"Vi forstår ikke helt mekanismen, men sandheden er, at de har en meget stærk affinitet til siliciumoxidnetværk, " sagde Marti, beskriver de nanorør-omviklede partikler. "Når de først er protoneret, de binder sig bare."

Men det var ikke nok til at skabe en ordentlig platform, fordi protonerede nanopartikler ikke længere er fotoluminescerende, en kvalitet forskerne krævede for at "se" sådanne små strukturer under et spektroskop. "Protonerede nanorør er seje, men vi ønsker at have uberørte nanorør, " sagde Martí.

"Vi sad fast der i et stykke tid. Vi prøvede mange ting, " sagde han. Acetone, ammoniak, chloroform og andre stoffer ville deprotonere nanorørene, men ville også frigøre dem fra silikatsvampene og lade dem klumpe. Men vinylpyrrolidon (VP) gjorde tricket ved at give nanorørene en polymer-lignende belægning, mens de returnerede dem til deres uberørte tilstande.

"Dette bliver interessant ikke kun ud fra synspunktet om at få individualiserede nanorør oven på en overflade, men også fordi vi fik fluorescens af nanorør ikke fra en opløsning, men af ​​et solidt materiale, " sagde Martí.

Eksperimentet gik et kritisk skridt videre, da forskerne introducerede rutheniummolekyler til blandingen. Silikaterne absorberede rutheniummolekylerne, placere dem i umiddelbar nærhed med en række nanorør. Under et spektroskop, rutheniumkomplekserne ville fotoluminescere, men de så noget uventet i samspillet.

"I bund og grund, vi fandt ud af, at hvis du anbringer en fotoaktiv art (ruthenium) der og ophidser den med lys, to forskellige processer sker. Hvis det har kulstof nanorør tæt på, det vil overføre en elektron til nanorørene. Der er en gebyroverførsel, og vi vidste, at det ville ske, " sagde Martí. "Det, vi ikke forventede, da vi analyserede spektret, var at se to forskellige arter af rutheniumkomplekser, en med en meget kort fotoluminescenslevetid og en meget lang."

Forskerne teoretiserede, at ruthenium i midten af ​​svampen var for langt fra nanorørene til at overføre elektroner, så den beholdt sin standardluminescens.

Forskningen fører til nogle interessante muligheder for materialevidenskab, sagde Saha. "MCM selv har mange anvendelser (som en mesoporøs si i brændstofraffinaderier, for eksempel), og kulstof nanorør er vidunderlige materialer, som mange mennesker er interesserede i. Vi kombinerer bare disse to til et hybridmateriale, der måske har begges fordele."

Mens porestørrelser i zeolitter er låst af deres krystallinske struktur ved 0,7 nanometer, porer i MCM kan tilpasses, som Saha har gjort, at absorbere specifikke materialer. "Der er mange ting, vi kan gøre for at tune systemet, som vi ikke har udforsket, " sagde han; at kombinere metalmolekyler eller endda kvanteprikker med MCM og nanorør kan føre til interessante resultater.

Martí sagde, at det at sætte ladede nanorør på overfladen af ​​et fast stof også åbner døren for at bruge dem som katalysatorer i solenergikonvertering. "Du har brug for den drivkraft, denne ladningsadskillelse, til kunstig fotosyntese, " han sagde.