Upptäckten för 30 år sedan av fotbollsbollformade kolmolekyler som kallas buckyballs bidrog till att stimulera en explosion av nanoteknologisk forskning. Nu, det verkar finnas en ny boll på planen.

Forskare från Brown University, Shanxi University och Tsinghua University i Kina har visat att ett kluster av 40 boratomer bildar en ihålig molekylär bur som liknar en kolbuckyball. Det är det första experimentella beviset på att en burburstruktur - tidigare bara en fråga om spekulation - verkligen existerar.

"Detta är första gången som en borbur har observerats experimentellt, "sa Lai-Sheng Wang, en professor i kemi vid Brown som ledde teamet som gjorde upptäckten. "Som kemist, att hitta nya molekyler och strukturer är alltid spännande. Det faktum att bor har kapacitet att bilda den här typen av struktur är mycket intressant."

Wang och hans kollegor beskriver molekylen, som de har kallat borosfären, i journalen Naturkemi .

Kolbuckybollar är gjorda av 60 kolatomer arrangerade i pentagoner och hexagoner för att bilda en sfär - som en fotboll. Deras upptäckt 1985 följdes snart av upptäckter av andra ihåliga kolstrukturer inklusive kolnanorör. Ett annat berömt kolnanomaterial - ett enatoms tjockt ark som kallas grafen - följde strax efter.

Efter buckyballs, forskare undrade om andra element kan bilda dessa udda ihåliga strukturer. En kandidat var bor, kolets granne i det periodiska systemet. Men eftersom bor har en elektron mindre än kol, det kan inte bilda samma 60-atoms struktur som finns i buckyballen. De saknade elektronerna skulle få klustret att kollapsa på sig själv. Om det fanns en borbur, den skulle behöva ha ett annat antal atomer.

Wang och hans forskargrupp har studerat borkemi i flera år. I en tidning som publicerades tidigare i år, Wang och hans kollegor visade att kluster av 36 boratomer bildar en-atomtjocka skivor, som kan sys ihop för att bilda en analog till grafen, döpt borofen. Wangs förarbete antydde att det också var något speciellt med borkluster med 40 atomer. De verkade vara onormalt stabila jämfört med andra borkluster. Att ta reda på hur det där 40-atomklustret faktiskt ser ut krävde en kombination av experimentellt arbete och modellering med kraftfulla superdatorer.

På datorn, Wangs kollegor modellerade över 10, 000 möjliga arrangemang av 40 boratomer bundna till varandra. Datorsimuleringarna uppskattar inte bara formerna på strukturerna, men uppskattar också elektronbindningsenergin för varje struktur – ett mått på hur hårt en molekyl håller sina elektroner. Spektrum av bindningsenergier fungerar som ett unikt fingeravtryck för varje potentiell struktur.

Nästa steg är att testa de faktiska bindningsenergierna för borkluster i labbet för att se om de matchar någon av de teoretiska strukturerna som genereras av datorn. Att göra det, Wang och hans kollegor använde en teknik som kallas fotoelektronspektroskopi.

Bitar av bulkbor sänks med en laser för att skapa ånga av boratomer. En heliumstråle fryser sedan ångan till små kluster av atomer. Klustren med 40 atomer isolerades efter vikt och sedan zappades med en andra laser, som slår ut en elektron ur klustret. Den utmatade elektronen flyger ner i ett långt rör som Wang kallar sin "elektronbanan." Hastigheten med vilken elektronerna flyger nerför racerbanan används för att bestämma klustrets elektronbindande energispektrum - dess strukturella fingeravtryck.

Experimenten visade att 40-atomkluster bildar två strukturer med distinkta bindningsspektra. Dessa spektra visade sig vara en dead-on matchning med spektra för två strukturer som genererades av datormodellerna. Den ena var en halvplatt molekyl och den andra var den buckyball-liknande sfäriska buren.

"Den experimentella iakttagelsen av ett bindningsspektrum som matchade våra modeller var av största vikt, " sa Wang. "Experimentet ger oss dessa mycket specifika signaturer, och de signaturerna passar våra modeller."

Borosfärenmolekylen är inte riktigt lika sfärisk som sin kolkusin. Istället för en serie av fem- och sexledade ringar bildade av kol, borosfären består av 48 trianglar, fyra sjusidiga ringar och två sexledade ringar. Flera atomer sticker ut lite från de andra, vilket gör ytan av borosfären något mindre slät än en buckyball.

När det gäller möjliga användningsområden för borosfären, det är lite för tidigt att säga, Säger Wang. En möjlighet, han påpekar, kan vara vätelagring. På grund av elektronbristen hos bor, borosfären skulle troligen binda bra med väte. Så små borburar kunde fungera som säkra hus för vätemolekyler.

Men för nu, Wang njuter av upptäckten.

"För oss, bara för att vara den första som har observerat detta, det är en ganska stor sak, " sa Wang. "Självklart om det visar sig vara användbart skulle det vara bra, men vi vet inte än. Förhoppningsvis kommer detta första fynd att stimulera ytterligare intresse för borkluster och nya idéer för att syntetisera dem i bulkkvantiteter."