Behandlade buckyballs tar inte bara bort värdefulla men potentiellt giftiga metallpartiklar från vatten och andra vätskor, men även reservera dem för framtida bruk, enligt forskare vid Rice University.

Kemisten Andrew Barrons rislab har upptäckt att kol-60 fullerener (alias buckyballs) som har gått igenom den kemiska processen som kallas hydroxylering kan aggregera till pärlliknande strängar när de binder till och separerar metaller - vissa bättre än andra - från lösningar . Möjliga användningsområden för processen inkluderar miljövänligt avlägsnande av metaller från sura gruvdräneringsvätskor, en avfallsprodukt från kolindustrin, samt från vätskor som används för hydraulisk frakturering vid olje- och gasproduktion.

Barron sa att de behandlade buckybollarna hanterade metaller med olika laddningar på oväntade sätt, vilket kan göra det möjligt att dra specifika metaller från komplexa vätskor samtidigt som man ignorerar andra.

Studien som leds av Rice grundutbildning Jessica Heimann dök upp i Royal Society of Chemistry journal Dalton transaktioner .

Tidigare forskning i Barrons laboratorium hade visat att hydroxylerade fullerener (kända som fullerenoler) kombinerade med järnjoner för att bilda en olöslig polymer. Heimann och kollegor genomförde en serie experiment för att utforska den relativa bindningsförmågan hos fullerenoler till en rad metaller.

"Det är mycket bra att säga att jag kan ta metaller ur vattnet, men för mer komplexa vätskor, problemet är att ta ut de du faktiskt vill ha, " Sa Barron. "Surt gruvavfall, till exempel, har stora mängder järn och aluminium och små mängder nickel och zink och koppar, de du vill ha. För att vara ärlig, järn och aluminium är inte de värsta metallerna att ha i vattnet, eftersom de är i naturligt vatten, i alla fall.

"Så vårt mål var att se om det finns en preferens mellan olika typer av metall, och vi hittade en. Då var frågan:Varför?"

Svaret fanns i jonerna. En atom eller molekyl med fler eller färre elektroner än protoner är en jon, med en positiv eller negativ laddning. Alla metaller som Rice lab testade var positiva, med antingen 2-plus eller 3-plus laddningar.

"I vanliga fall, ju större metall, desto bättre separerar det, " sade Barron, men experiment visade motsatsen. Två-plus metaller med en mindre jonradie bundna bättre än större. (Av dem, zink binds tätast.) Men för 3-plus-joner, stor fungerade bättre än liten.

"Det är verkligen konstigt, " Barron sa. "Det faktum att det finns diametralt motsatta trender för metaller med en 2-plus laddning och metaller med en 3-plus laddning gör detta intressant. Resultatet är att vi helst ska kunna separera de metaller vi vill ha. "

Experimenten fann att fullerenoler kombinerade med ett dussin metaller, förvandla dem till fasta tvärbundna polymerer. I ordning efter effektivitet och börja med det bästa, metallerna var zink, kobolt, mangan, nickel, lantan, neodym, kadmium, koppar, silver, kalcium, järn och aluminium.

"Pärlreferensen" är inte långt ifrån bokstavlig, som en inspiration för tidningen var det faktum att metalljoner är tvärbindningsmedel för proteiner som ger vissa marina musslor en fantastisk förmåga att fästa vid våta stenar.

Heimann, en senior, började på projektet innan han tillbringade en termin på Rices systerinstitution i Tyskland, Jacobs universitet. "Jag arbetade först med kolnanorör, oxidera dem för att se hur de skulle binda metaller, och sedan åkte jag utomlands, " sa hon. När hon kom tillbaka, Barron var redo att prova C-60. "Kommer från Rice och dess historia med buckyballs, Jag trodde att det skulle vara riktigt coolt, sa Heimann.

"Jag gillade att kunna se slutmålet med att göra ett filter som kan användas för att hantera förorenat vatten, " Hon sa.

Barron sa att fullerenoler fungerar som kelatmedel, som avgör hur joner och molekyler binder till metalljoner. Experiment med olika metaller visade att fullerenolerna binds med dem på mindre än en minut, varefter de kombinerade fastämnena kunde filtreras bort.

Barron sa att valet av aluminium, zink och nickel för testning berodde på deras samförekomst med järn i surt gruvavloppsvatten. Liknande, kadmium testades med avseende på samband med gödningsmedel och avloppsslam och koppar med gruvutsläpp. Nickel, lantan och neodym används i batterier och drivmotorer i hybridfordon.

Barron sa att forskningen visar buckyballens mångsidighet, upptäcktes på Rice 1985 av Nobelpristagaren Rick Smalley, Robert Curl och Harold Kroto. Det visar också vägen framåt. "Den förståelse vi nu har gör att vi kan hitta alternativ till C-60s för att designa sätt på vilka vi kan separera ut metaller mer effektivt, " han sa.