Lovende nanomaterialers oprindelse afsløret

Forskere fra Florida State University tilbyder en ny forståelse af, hvordan et spændende nanomateriale - metallofulleren - dannes i et nyligt offentliggjort forskningsstudie.

Metallofullerener er en del af kulstoffamilien, og slægtninge til det, der populært er kendt som buckyballs. Buckyballs, eller fullerener, er hule, fodbold-formet, sfæriske bure, der repræsenterer en grundlæggende form for kulstof. De tomme rum i fullerenerne kan fange metalatomer, resulterer i metallofullerener.

"Metallofullerener er en unik form for molekylært nanocarbon, " siger FSU kemiker Paul Dunk, medforfatter til undersøgelsen. "De er potentielt nyttige i en række biomedicinske diagnostik, især som MRI-kontrastmidler."

De offentliggjorte resultater kan hjælpe med at bane vejen for metallofulleren-baserede applikationer, der spænder fra biomedicin til vedvarende energi. Artiklen, "Bund og op-dannelse af endohedrale metallofullerener styres af ladningsoverførsel, " blev offentliggjort i decemberudgaven af Naturkommunikation .

"Under visse betingelser, metallofullerener kan have spektakulære egenskaber, der gør dem værdsat som avancerede materialer til en række teknologier, såsom konvertering af sollys til elektricitet og som mulige komponenter af molekylær elektronik, " sagde Dunk.

De metalindkapslede kulstofbure kan endda være vigtige kosmiske molekyler, dannes i stjernemiljøer og stjernestøv.

For at opdage, hvordan metallofullerener syntetiseres i et laboratorium, forskerholdet stolede på den højmagnetiske feltinstrumentering, der var tilgængelig på Ion Cyclotron Resonance-faciliteten ved National High Magnetic Field Laboratory. Det internationale hold omfattede:Florida State's Harry Kroto, modtager af 1996 Nobelprisen i kemi for opdagelsen af ​​fullerener; MagLab kemikere; og videnskabsmænd fra University Rovira i Virgili i Spanien og Nagoya University i Japan.

Metallofullerener fremstilles ved en forbløffende enkel proces:Bland grafit og et metal, og fordamp det så til sod, som ligner de sorte ting fra en stearinlysflamme. Fra den sod, metallofullerener findes på mystisk vis.

"Ved at fordampe kulstof og metal under de rigtige forhold, disse fascinerende materialer samles spontant, " sagde Dunk. "Men hvis den primære måde, hvorpå de dannes, ikke engang er kendt, det er svært at finde ud af, hvordan man bedre kan producere disse spændende molekyler."

Mens tomme bure som Buckminsterfulleren, C60, er tilgængelige i ton mængde i dag, metallofullerener lider af begrænsede mængder, derved hindre forskning, der fuldt ud udforsker materialet.

"Vi så først beviser for metallofullerener få dage efter opdagelsen af ​​Buckminsterfulleren i 1985, men vi var ikke sikre på, hvordan de overhovedet blev dannet. Det var bare fantastisk, at de overhovedet gjorde det, " sagde Kroto. "Det var næsten tre årtier siden. Trods store fremskridt gennem de sidste 10 år, dannelsesprocessen har vist sig meget udfordrende, fordi den sker på et øjeblik."

For at afdække det mangeårige puslespil, forskere brugte en laser til at sprænge grafit dopet med metal, og de dannede komplekse produkter blev analyseret af laboratoriets 9,4-tesla Fourier transformation ion cyclotron resonans massespektrometer. Den kraftfulde analyseteknik gjorde det muligt for holdet omhyggeligt at studere metallofullerendannelse med hele 90 forskellige elementer, næsten alle tilgængelige elementer i det periodiske system.

De hidtil usete resultater tillod dannelsesmekanismen at blive stykket sammen, bygger på nyere pionerarbejde på tomme bure fra samme gruppe.

Tidligere, det blev forudsagt, at flade plader af kulstof skulle udstødes fra grafit og tæt på for at danne gigantiske metallofullerener, som så hypotetisk kunne "krympe" ind i mellemstore bure, der er mest almindeligt anvendt i biomedicin og teknologi.

Imidlertid, forskerne observerede et modsat resultat i deres eksperimenter. De fandt, at et metalatom oprindeligt kerne carbon for at danne meget små metallofullerener, som så vokser til de velkendte større burstørrelser.

Den type metal, der er indkapslet, så ud til at have en væsentlig indflydelse på, hvor hurtigt de små metallofullerener voksede til de mest nyttige mellemstore bure, som kunne hjælpe med at forklare det lave udbytte af metallofullerener ved brug af typiske syntesemetoder.

Afklaring af, hvordan molekylær konstruktion af disse metalindkapslede kulstofbure opstår, skulle bidrage til at åbne nye retninger inden for nanoteknologi.

"Vi håber, at disse resultater vil være nyttige til at udtænke nye produktionsstrategier for fuldt ud at realisere metallofullerenanvendelser og yderligere udforske deres fantastiske egenskaber, hvilket helt sikkert ville gavne samfundet, " sagde Dunk.