Forskare från Florida State University erbjuder en ny förståelse för hur ett spännande nanomaterial - metallofulleren - bildas i en nyligen publicerad forskningsstudie.

Metallofullerener är en del av kolfamiljen, och släkt med vad som populärt kallas buckyballs. Buckyballs, eller fullerener, är ihåliga, fotboll-boll-formad, sfäriska burar som representerar en grundläggande form av kol. De tomma utrymmena i fullerenerna kan fånga metallatomer, resulterar i metallofullerener.

"Metallofullerener är en unik form av molekylärt nanokol, " säger FSU-kemist Paul Dunk, en medförfattare till studien. "De är potentiellt användbara i ett antal biomedicinsk diagnostik, särskilt som MRT-kontrastmedel."

De publicerade resultaten kan hjälpa till att bana väg för metallofullerenbaserade tillämpningar som sträcker sig från biomedicin till förnybar energi. Artikeln, "Nedifrån och upp bildning av endoedriska metallofullerener styrs av laddningsöverföring, " publicerades i decembernumret av Naturkommunikation .

"Under vissa förutsättningar, metallofullerener kan ha spektakulära egenskaper som gör dem uppskattade som avancerade material för en rad olika teknologier, såsom omvandling av solljus till elektricitet och som möjliga komponenter i molekylär elektronik, sa Dunk.

De metallinkapslade kolburarna kan till och med vara viktiga kosmiska molekyler, bildas i stjärnmiljöer och stjärndamm.

För att upptäcka hur metallofullerener syntetiseras i ett labb, forskargruppen förlitade sig på den högmagnetiska fältinstrumentering som finns tillgänglig vid Ion Cyclotron Resonance-anläggningen vid National High Magnetic Field Laboratory. Det internationella laget inkluderade:Florida State's Harry Kroto, mottagare av 1996 års Nobelpris i kemi för upptäckten av fullerener; MagLab kemister; och forskare från University Rovira i Virgili i Spanien och Nagoya University i Japan.

Metallofullerener tillverkas genom en förvånansvärt enkel process:Blanda grafit och en metall, och sedan förånga det till sot, som ser ut som det svarta från en ljus låga. Från det sotet, metallofullerener hittas på mystiskt sätt.

"Genom att förånga kol och metall under rätt förhållanden, dessa fascinerande material samlas spontant, " sa Dunk. "Men om det primära sättet på vilket de bildas inte ens är känt, det är svårt att ta reda på hur man bättre kan producera dessa spännande molekyler."

Medan tomma burar som Buckminsterfulleren, C60, finns tillgängliga i ton kvantitet idag, metallofullerener lider av begränsade mängder, och hindrar därmed forskning som till fullo utforskar materialet.

"Vi såg först bevis för metallofullerener bara några dagar efter upptäckten av Buckminsterfulleren 1985, men vi var inte säkra på hur de ens bildades. Det var bara fantastiskt att de ens gjorde det, " sa Kroto. "Det var nästan tre decennier sedan. Trots stora framsteg under de senaste 10 åren, bildningsprocessen har visat sig mycket utmanande eftersom den sker på ett ögonblick."

För att avslöja det mångåriga pusslet, forskare använde en laser för att spränga grafit dopad med metall, och de bildade komplexa produkterna analyserades av labbets 9,4-tesla Fourier-transformjon-cyklotronresonansmasspektrometer. Den kraftfulla analystekniken gjorde det möjligt för teamet att noggrant studera metallofullerenbildning med hela 90 olika element, nästan alla tillgängliga element i det periodiska systemet.

De oöverträffade resultaten gjorde det möjligt att sätta ihop formningsmekanismen, bygger på det senaste pionjärarbetet med tomma burar från samma grupp.

Tidigare, det förutspåddes att platta ark av kol skulle kastas ut från grafit och närma sig för att bilda gigantiska metallofullerener, som sedan hypotetiskt skulle kunna "krympa" till medelstora burar som är vanligast inom biomedicin och teknik.

Dock, forskarna observerade ett motsatt resultat i sina experiment. De fann att en metallatom ursprungligen bildar kol för att bilda mycket små metallofullerener, som sedan växer till de välkända större burstorlekarna.

Typen av inkapslad metall verkade avsevärt påverka hur snabbt de små metallofullerenerna växte till de mest användbara medelstora burarna, vilket skulle kunna hjälpa till att förklara det låga utbytet av metallofullerener med hjälp av typiska syntesmetoder.

Förtydligande av hur molekylär konstruktion av dessa metallinkapslade kolburar sker bör bidra till att öppna upp nya riktningar inom nanoteknologin.

"Vi hoppas att dessa resultat kommer att vara användbara för att ta fram nya produktionsstrategier för att fullt ut realisera metallofullerentillämpningar och ytterligare utforska deras fantastiska egenskaper, vilket säkert skulle gynna samhället, sa Dunk.