Forskare har upptäckt att ett utrymme inuti en speciell typ av kolmolekyl kan användas för att fängsla andra mindre molekyler som väte eller vatten.
Den nanometerstora håligheten i den ihåliga sfäriska C60 Buckminsterfulleren – eller bucky ball – skapar effektivt ett "nanolaboratorium", möjliggör detaljerade studier av de kvantmekaniska principerna som bestämmer rörelsen hos den inkapslade molekylen, inklusive det mystiska vågliknande beteendet som är en grundläggande egenskap hos all materia.
Experiment av internationellt samarbete mellan forskare, inklusive fysiker från University of Nottingham, har avslöjat det vågliknande beteendet och visar hur de fängslade H2- och H2O-molekylerna "kvantrasslar" i sin bur.
Professor Tony Horsewill, vid School of Physics and Astronomy vid University of Nottingham, sa:"För mig kom mycket av motivationen för att genomföra den här undersökningen från det rena nöjet att studera en så unik och vacker molekyl och reta de fascinerande insikterna som den gav i grunderna för kvantmolekylär dynamik. Intellektuellt, det har varit enormt roligt.
"Dock, som med alla blå himmelsforskningsinitiativ finns det alltid löften om nya, ofta oförutsedda, applikationer. Verkligen, i fallet med vattenmolekyler inuti bucky balls har vi en gästmolekyl som har ett elektriskt dipolmoment och samarbetet undersöker redan dess användning inom molekylär elektronik, inklusive som en innovativ komponent i en molekylär transistor."
Forskningen, som involverade forskare från USA, Japan, Frankrike, Estland och universiteten i Nottingham och Southampton i Storbritannien, har nyligen publicerats i den prestigefyllda tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).
Upptäckten av C60 Buckminsterfulleren, och den besläktade klassen av molekyler fullerener, i mitten av 1980-talet fick professorerna Harry Kroto, Robert Curl och avlidne Richard Smalley fick Nobelpriset i kemi 1996.
Den har en burliknande sfärisk struktur som består av 20 hexagoner och 12 pentagoner och liknar en fotboll, ger det smeknamnet "bucky ball".
I ett nyligen genomfört genombrott inom syntetisk kemi, de japanska forskarna från Kyoto har uppfunnit en molekylär kirurgiteknik som tillåter dem att framgångsrikt permanent täta små molekyler som H2 och H2O inuti C60.
De använde en uppsättning kirurgiska syntetiska procedurer för att öppna C60-buren och skapade en öppning som är tillräckligt stor för att "skjuta" in en H2- eller H2O-molekyl vid hög temperatur och högt tryck. Systemet kyldes sedan ner för att stabilisera den infångade molekylen inuti och buren reparerades kirurgiskt för att reproducera en C60.
Professor Horsewill tillade:"Denna teknik lyckas kombinera universums kanske vackraste molekyl C60 med sin enklaste."
Forskargruppen i Nottingham har använt en teknik som kallas oelastisk neutronspridning (INS) där en stråle av neutroner, fundamentala partiklar som utgör atomkärnan, används för att undersöka "burens skramlande" rörelse hos gästmolekylerna i C60.
Deras undersökningar har gett en inblick i den vågliknande naturen hos H20- och H2-molekyler och deras orbital- och rotationsrörelse när de rör sig inom C60.
Professor Malcolm Levitt, från School of Chemistry vid University of Southampton, som har använt tekniken kärnmagnetisk resonans (NMR) för att studera kvantegenskaperna hos de inkapslade molekylerna, sa:"Genom att begränsa små molekyler som vatten i fullerenburar tillhandahåller vi den kontrollerade miljön i ett laboratorium men på en skala av ungefär en nanometer.
"Under dessa omständigheter, de instängda molekylerna avslöjar en vågliknande natur och beter sig enligt kvantmekanikens lagar. Förutom deras inneboende intresse, vi förväntar oss att de speciella egenskaperna hos dessa material kommer att leda till en mängd olika tillämpningar, till exempel nya sätt att göra bilderna av MR-skanningar ljusare, och nya typer av datorminne."
Verket publicerat i PNAS papper har också separat identifierat två subtilt olika former av H2O - orto-vatten och para-vatten. Dessa så kallade nukleära spin-isomerer har också sina separata identiteter att tacka kvantmekaniska principer.
