Årtier gammelt mysterium med buckyballs knækkede

(Phys.org) -- Efter at have udforsket i 25 år, Forskere har løst spørgsmålet om, hvordan den ikoniske familie af kulstofmolekyler, kendt som buckyballs, dannes.

Resultaterne fra Florida State University og National Science Foundation-støttede National High Magnetic Field Laboratory, eller MagLab, i Tallahassee, Fla., kaste grundlæggende lys over selvsamling af kulstofnetværk. Resultaterne skulle have vigtige implikationer for kulstofnanoteknologi og give indsigt i oprindelsen af ​​rumfullerener, som findes overalt i universet.

Mange mennesker kender buckyball, også kendt af forskere som buckminsterfulleren, kulstof 60 eller C ₆₀ , fra forsiden af ​​deres skolekemi lærebøger. Ja, molekylet repræsenterer det ikoniske billede af "kemi." Men hvordan disse ofte meget symmetriske, smukke molekyler med  fascinerende egenskaber dannes i første omgang, har været et mysterium i et kvart århundrede. På trods af verdensomspændende undersøgelser siden 1985 opdagelsen af ​​C ₆₀ , buckminsterfulleren og andre, ikke-sfæriske C60-molekyler - kendt samlet som fullerener - har holdt deres hemmeligheder. Hvordan? De er født under meget energiske forhold og vokser ultrahurtigt, gør dem svære at analysere.

"Vanskeligheden med fullerendannelse er, at processen bogstaveligt talt er overstået på et øjeblik - det er næsten umuligt at se, hvordan det magiske trick med deres vækst blev udført, " sagde Paul Dunk, en doktorgradsstuderende i kemi og biokemi ved Florida State og hovedforfatter af værket.

I undersøgelsen, offentliggjort i det peer-reviewede tidsskrift Naturkommunikation , forskerne beskriver deres geniale tilgang til at teste, hvordan fullerener vokser.

"Vi startede med en pasta af allerede eksisterende fullerenmolekyler blandet med kulstof og helium, skød det med en laser, og i stedet for at ødelægge fullerenerne blev vi overraskede over at opdage, at de faktisk var vokset, " skrev de. Fullerenerne var i stand til at absorbere og inkorporere kulstof fra den omgivende gas.

Ved at bruge fullerener, der indeholdt tungmetalatomer i deres centre, forskerne viste, at kulstofburene forblev lukkede under hele processen.

"Hvis burene voksede ved at flække op, vi ville have mistet metalatomerne, men de forblev altid låst inde, ” bemærkede Dunk.

Forskerne arbejdede sammen med et team af MagLab-kemikere, der brugte laboratoriets 9,4-tesla Fourier-transformationsion-cyclotronresonansmassespektrometer til at analysere snesevis af molekylære arter, der blev produceret, da de skød fullerenpastaen med laseren. Instrumentet virker ved at adskille molekyler efter deres masser, giver forskerne mulighed for at identificere typer og antal af atomer i hvert molekyle. Processen bruges til så forskellige applikationer som at identificere olieudslip, biomarkører og proteinstrukturer.

Buckyball-forskningsresultaterne vil være vigtige for at forstå fullerendannelse i udenjordiske miljøer. Nylige rapporter fra NASA viste, at krystaller af C ₆₀ er i kredsløb om fjerne sole. Dette tyder på, at fullerener kan være mere almindelige i universet end tidligere antaget.

"Resultaterne af vores undersøgelse vil helt sikkert være ekstremt værdifulde til at dechifrere fullerendannelse i udenjordiske miljøer, " sagde Florida State's Harry Kroto, en nobelprisvinder for opdagelsen af ​​C ₆₀ og medforfatter til den aktuelle undersøgelse.

Resultaterne giver også grundlæggende indsigt i selvsamling af andre teknologisk vigtige kulstof nanomaterialer såsom nanorør og kulstoffamiliens nye vidunderart, grafen.