Nya avstämbara metallofullerener är utvecklade av ett forskarlag som inkluderar forskare från University of Electro-Communications, Tokyo.

Små molekyler i nanoskala i form av sfäriska kolburar, eller "fullerener", har fått stor uppmärksamhet de senaste åren. Enskilda eller små grupper av atomer kan fångas inuti fullerener, skapa stabila molekyler med unika elektroniska strukturer och ovanliga egenskaper som kan utnyttjas inom området nanomaterial och biomedicinsk vetenskap.

Endohedriska metallofullerener (EMF) är en sådan klass av molekyler, där en eller flera metallatomer är inkapslade i många typer av kolburar. Avgörande, metallatomen/-atomerna är inte kemiskt bundna till kolomgivningen, men de donerar elektroner till kolburen. Forskare har nyligen börjat förstå hur man kontrollerar rörelsen, beteende och placering av de inneslutna atomerna genom att lägga till andra atomer, såsom kisel eller germanium (i deras silyl- eller germylgrupper), till fullerenytan. Detta möjliggör manipulering och finjustering av EMF:s egenskaper.

Nu, Masahiro Kako och medarbetare vid University of Electro-Communications i Tokyo, tillsammans med forskare över hela Japan och USA, har skapat och analyserat effekterna av silylering och germylering på en EMF som kallas Lu3N@Ih-C80 (tre lutetiumatomer bundna till en kväveatom innesluten i en kol 80-bur).

Med hjälp av röntgenkristallografi, elektrokemiska analyser och teoretiska beräkningar, teamet upptäckte att att lägga till silylgrupper eller germylgrupper till fullerenstrukturen var ett mångsidigt sätt att kontrollera EMF:s elektroniska egenskaper. Den exakta placeringen av silyl- eller germylgrupperna vid bindning till kolstrukturen bestämde energigaporna som fanns i EMF, och bestämde orienteringen av de bundna metallatomerna inuti buren.

Germylgrupperna donerade fler elektroner och processen fungerade något mer effektivt än silylgrupperna, men Kako och hans team tror att båda ger ett effektivt sätt att finjustera EMF elektroniska egenskaper.

En kort historia om fullerener

Fullerener är kolmolekyler som tar formen av sfärer. Den mest kända och rikligaste fullerenen är buckminsterfulleren, eller "buckyball", C60, som liknar en fotboll till formen med en bunden kolatom vid varje punkt i varje polygon.

Endohedriska metallofullerener, eller EMF, skapas genom att fånga en eller flera metallatomer inuti en fullerenbur, snarare som en hamster i en boll. De fångade atomerna är inte kemiskt bundna till kolet, men de interagerar med det genom att donera elektroner, skapar därmed unika och mycket användbara molekyler för nanomaterialvetenskap och biomedicin.

Silylering och germylering

Tillsatsen av andra atomer till fullerenytor kan påverka EMF-egenskaper, genom att reglera beteendet hos metallatomerna inuti fullerenburen. I en EMF, rörelsen av lantanatomer begränsas till två dimensioner genom tillsats av silylgrupper till kolburen. Detta förändrar de elektrostatiska potentialerna inuti buren och begränsar lantanatomernas rörlighet, och därmed ändrar de övergripande egenskaperna för hela molekylen.

Denna studie av Masahiro Kako och medarbetare förbättrar ytterligare förståelsen för effekterna av silylering och germalytion (tillägg av kiselbaserade och germaniumbaserade grupper) på lutetiumbaserade EMF. Teamet har visat att den exakta placeringen av de ytterligare atomerna i kolstrukturen kan påverka energiklyftorna över molekylen, därigenom tillåter dem att ställa in de elektroniska egenskaperna hos EMF. Denna förmåga att "finjustera" EMF kan ha vissa tillämpningar för funktionella material inom molekylär elektronik, såsom acceptorer i organiska solceller.

Kako och hans team hoppas kunna genomföra ytterligare undersökningar av tillägget av alternativa grupper av atomer till fullerener, att lägga till avstämningsegenskaperna hos kisel- och germaniumbaserade grupper. Detta skulle kunna utöka mångsidigheten hos EMF och deras potentiella tillämpningar i framtiden.