'Fullertubes' Word lid van de familie van koolstofkristallen

Koolstof kan zichzelf rangschikken tot een van de hardste materialen in de natuur, of tot een materiaal dat zo zacht is dat kinderen er sporen van op papier schrijven. Enkele decennia geleden begonnen wetenschappers zich af te vragen: naast diamant en grafiet, welke andere kristallijne vormen zou koolstof kunnen aannemen?

In 1985 hadden ze hun eerste antwoord. Een groep scheikundigen ontdekte kleine holle bolletjes gemaakt van 60 koolstofatomen die ze buckminsterfullerenen noemden, of afgekort buckyballs of fullerenen. (De kristallen leken op geodetische koepels, gepopulariseerd door de architect R. Buckminster Fuller.) Een nieuw gebied van chemie ontstond rond de nanometerbrede bollen, terwijl onderzoekers zich haastten om eigenschappen en toepassingen te ontdekken van wat het mooiste molecuul wordt genoemd.

Er werden grotere fullerenen gevonden. Toen, een paar jaar later, wekte een artikel van de Japanse natuurkundige Sumio Iijima interesse in een verwante koolstofvorm, aanvankelijk buckytubes genoemd maar nu bekend als koolstofnanobuisjes: holle cilinders gemaakt van een honingraatrooster van koolstofatomen dat is opgerold als toiletpapier buis.

De koolstofkristallen hadden een spectrum van elektrische, chemische en fysische eigenschappen waar geen enkel ander element aan leek te voldoen. De opwinding rond koolstofnanowetenschap werd nog hoger toen drie van de ontdekkers van buckyballs, Robert Curl, Harold Kroto en Richard Smalley, in 1996 de Nobelprijs voor scheikunde ontvingen. Toen, in 2004, vonden de natuurkundigen Andre Geim en Konstantin Novoselov een manier om platte vellen koolstofatomen te isoleren - een kristal dat bekend staat als grafeen - wat leidde tot een nieuwe explosie van onderzoek dat sindsdien zichzelf heeft volgehouden en zichzelf de Nobelprijs voor natuurkunde van 2010 opleverde.

Onlangs ontdekten chemici nog een ander type koolstofkristal - dit keer met veel minder tamtam. De meeste koolstofexperts die voor dit verhaal werden gecontacteerd, hadden er nog steeds niet van gehoord. En tot nu toe bedraagt ​​de totale wereldwijde voorraad waarschijnlijk milligrammen, ongeveer de massa van een handvol huisvliegen.

Deze nieuwste koolstofstructuren vallen ergens tussen bolvormige fullerenen en cilindrische nanobuisjes; ze zijn "een huwelijk op nanoschaal" van de twee in de vorm van een medicijncapsule, volgens Harry Dorn, een chemicus aan het Virginia Polytechnic Institute en State University die samenwerkt met Steven Stevenson van Purdue University, de eerste ontdekker van de moleculen. Stevenson en Dorn hebben de kristallen fullertubes genoemd.

Fullertubes combineren de beste eigenschappen van fullerenen en nanotubes. Of het slechtste van beide. Of misschien een beetje van het goede en het slechte van elk - het hangt ervan af aan wie je het vraagt. Hoe en of hun eigenschappen nuttig zullen zijn, valt nog te bezien. Het is een plek waar we eerder zijn geweest, en waarschijnlijk nog steeds zijn, met de gevierde koolstofverwanten van fullertubes.

Mijnbouw voor Fullertubes

Het centrum van de fullertube-wereld is een chemisch laboratorium ter grootte van een woonkamer op Purdue's Fort Wayne, Indiana, campus. Daar verzamelen en taxonomiseren Stevenson en zijn kleine kader van studenten de pas ontdekte moleculen, die bestaan ​​uit halfbolvormige doppen aan de uiteinden van cilinders van verschillende breedtes en lengtes.

In 2020 kondigden Stevenson en medewerkers de eerste lid van de fullertube-familie, een molecuul van 90 atomen dat in wezen twee helften van een buckyball is, verbonden door een middengedeelte van 30 atomen nanobuisjes. Ze vonden het molecuul samen met twee grotere broers en zussen gemaakt van respectievelijk 96 en 100 koolstofatomen.

Dit jaar, Stevenson en Dorn beschreef nog twee vollerbuizen, beide bestaande uit 120 koolstofatomen. Hun studies tonen aan dat de smallere van deze pilvormige moleculen elektrisch geleidend is, terwijl de bredere, kortere - intrigerend genoeg - een halfgeleider is, wat betekent dat het mogelijk kan worden gebruikt voor transistors en andere elektronische apparaten. Fullertubes hebben ook een reeks optische en trekeigenschappen die de onderzoekers nog aan het onderzoeken zijn.

James Heath van het Institute for Systems Biology in Seattle, die in 1985 hielp bij het isoleren van de eerste fullerenen als afgestudeerde student bij Curl en Smalley, noemde de nieuwe fullertubes "mooie structuren" die dezelfde geometrische regel volgen die hem en zijn collega's ertoe bracht zoek in de eerste plaats naar fullerenen: de regel dat 12 vijfhoeken en een even aantal zeshoeken een gesloten schil kunnen vormen. (Buckyballs hebben bijvoorbeeld hetzelfde patroon van zeshoeken en vijfhoeken als een voetbal. Fullertubes handhaven de regel terwijl ze extra banden van zeshoeken toevoegen.)

De moleculen liggen al jaren onder de neus van chemici, verstopt in hetzelfde speciale koolstofroet dat lange tijd de primaire bron van fullerenen is geweest. Maar in 2020 ontdekte Stevenson eindelijk hoe hij de buisvormige capsules kon kiezen uit de veel overvloedigere fullerenen. Het 'magische' proces, zoals hij het noemt, is om 'alles wat bolvormig is weg te reageren. Dus scheiden we balletjes van buisjes.”

Het speciale roet wordt meestal gemaakt door koolstof van grafietstaven in een kamer te verdampen. Terwijl de koolstofdamp op de kamerwanden afkoelt, condenseert veel ervan tot fullerenen, maar er vormen zich ook zeldzame vollerbuizen, die als edelstenen in een berg slak zijn gestrooid. De goocheltruc van Stevenson is gebaseerd op in water oplosbare moleculen die bekend staan ​​als amines. Deze worden aangetrokken door plaatsen waar zeshoekige rangschikkingen van koolstofatomen zich hechten aan vijfhoekige rangschikkingen - kruispunten die overal in fullerenen voorkomen. Nanobuizen daarentegen zijn onaantrekkelijk voor aminen omdat ze alleen zeshoeken bevatten, en vollere buizen worden gedeeltelijk beschermd tegen aminen door hun middensecties van nanobuizen. Dus terwijl aminen zich binden aan fullerenen, waardoor ze oplosbaar worden in water, blijven niet-gereageerde fullertubes onoplosbaar; Stevenson kan de fullerenen eenvoudig wegspoelen en vollertubes achterlaten.

Vervolgens laat hij zijn met volle buizen verrijkte monsters door machines lopen die de moleculen scheiden op basis van hun massa en subtiele chemische verschillen, wat pure verzamelingen van volle buizen oplevert met uniforme massa's, vormen en eigenschappen.

"Steve's aanpak is absoluut heel fascinerend", zei de chemicus Ardemis Boghossian van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne in Zwitserland, die werkt met nanobuisjes. “Het is een aanpak die niet gebruikelijk is in ons vakgebied. … Die van hem is wat preciezer.”

Experts zeggen dat het vermogen om zuivere, uniforme monsters van volle buizen te isoleren de moleculen veel meer aantrekkingskracht geeft dan anders het geval zou zijn. Fullerenen kunnen ook worden geïsoleerd, maar ze missen de elektrische en optische eigenschappen die fullertubes en nanotubes veelbelovend maken als componenten in elektrische circuits of op licht gebaseerde sensoren. Ondertussen blijft zuiverheid slechts een droom voor nanobuisonderzoekers, die vaak werken met een wirwar van buizen van willekeurige lengte en diameter, en zelfs geneste buizen in buizen. Dus kunnen fullertubes de hindernissen overwinnen die zijn neven hebben overwonnen?

Wat is er met Buckyballs gebeurd?

In een 1991 artikel in Scientific American, bedachten Curl en Smalley revolutionaire toepassingen van buckminsterfullerenen, waaronder nieuwe, op koolstof gebaseerde supergeleiders, elektronica en smeermiddelen. “De veelzijdigheid van bulk C₆₀ lijkt week na week te groeien”, schreven ze.

Vijf jaar gingen voorbij. "Er zijn nog geen praktisch bruikbare toepassingen geproduceerd", schreef het Nobelprijscomité in een persbericht uit 1996 aankondigend dat Curl, Kroto en Smalley de chemieprijs hadden gewonnen voor het ontdekken van buckminsterfullerenen, "maar dit is niet te verwachten binnen zes jaar nadat macroscopische hoeveelheden fullerenen beschikbaar kwamen."

Een kwart eeuw later is geen van de aanvankelijk gehoopte producten op de markt gekomen. De weinige plaatsen waar je buckyballs commercieel tegenkomt, zijn cosmetica en voedingssupplementen die het potentieel van het molecuul als antioxidant aanprijzen. Geen van beide producttypes vereist echter FDA-goedkeuring en verschillende onderzoeken hebben tekenen van toxiciteit bij buckyballs aangetoond. (Eén studie lijkt de gezondheidsvoordelen te ondersteunen, althans wat betreft het verlengen van de levensduur van muizen blootgesteld aan ioniserende straling; een ander vindt geen levensverlengende voordelen bij muizen.)

Michael Crommie, een natuurkundige aan de University of California, Berkeley, beschouwt fullerenen vooral als belangrijk voor het smeden van een spoor naar andere koolstofkristallen. "Omdat we buckyballs hebben," zei hij, "dat leidde tot nanobuisjes, en dat leidde uiteindelijk tot grafeen."

Nanobuisjes hebben meer wetenschappelijk en commercieel succes gehad dan fullerenen. Je kunt ze ophalen bij de ijzerhandel, waar ze te vinden zijn in "nanotape" of "geckotape" die de kristallen gebruikt voor hechting op vrijwel dezelfde manier als hagedissenpoten microscopische haartjes gebruiken. Nanobuizen zijn buitengewoon sterk, met het potentieel om veel beter te presteren dan staal - behalve dat niemand erin is geslaagd om nanobuizen van voldoende lengte te maken voor ultrasterke bekabeling. Toch voegen nanobuisjes kracht toe wanneer ze worden gemengd in stof, bootrompen, hoogwaardige autocarrosserieën en tennisrackets. Ze worden ook veel gebruikt voor waterfiltratie en voor het verbeteren van de prestaties van sommige batterijen.

Maar terwijl het bij die toepassingen gaat om grote hoeveelheden nanobuisjes van verschillende lengtes en diameters, zullen meer baanbrekende toepassingen, zoals precisie-nanosensoren, nanobuisjes vereisen die identiek zijn aan elkaar. Twee sensoren die zijn opgebouwd uit verschillende nanobuisjes zullen bijvoorbeeld verschillend reageren op dezelfde stimulus. Elektronica heeft uniforme componenten nodig om voorspelbaar te kunnen functioneren.

"We kunnen nanobuisjes niet echt isoleren", zei Boghossian. "Misschien krijgt de persoon die een gemakkelijke manier vindt om zuivere nanobuisjes te isoleren, een Nobelprijs", net zoals Geim en Novoselov de natuurkundeprijs wonnen, niet voor het ontdekken van grafeen, maar voor het isoleren ervan.

Onderzoekers houden van Yu Huang Wang aan de Universiteit van Maryland ontwikkelen een manier om knip lange nanobuisjes om specifieke lengtes te produceren - een moeizame top-downtechniek die begint met een mix van nanobuisjes en deze transformeert in een verzameling identieke secties. Andere onderzoekers proberen nanobuisjes van onder naar boven te bouwen, atoom voor atoom, maar deze benadering is gebrekkig en duur.

Grafeen, met zijn uniforme, enkellaagse vellen, is waar Crommie gelooft dat het ware potentieel voor koolstofnanomaterialen zal worden vervuld. Volgens hem is de beste route naar op koolstof gebaseerde elektronische en magnetische apparaten het knippen van grafeenlinten in bruikbare vormen - een techniek die volgens hem al heeft geleid tot complexe elektronische apparaten in het laboratorium.

Babystapjes voor Fullertubes

Dus welke rol, indien aanwezig, zou kunnen worden vervuld door fullertubes? Omdat de kristallen uniform zijn en zowel geleiders als halfgeleiders kunnen zijn, stellen Stevenson en Dorn zich voor dat ze mogelijk aan elkaar kunnen worden gekoppeld als Lego's van nanoformaat om miniatuurelektronica te maken.

Boghossian brengt nanobuisjes in cellen om de omgeving binnenin te bestuderen. Ze vertrouwt op fluorescentie van nanobuizen: de structuren absorberen de ene kleur licht en zenden een andere uit, en de lichtverandering onthult informatie over cellulaire omstandigheden. Maar de fluorescentie hangt af van de structuur van de nanobuisjes, en verschillen daartussen maken signalen moeilijker te interpreteren. De kortste fullertubes fluoresceren niet, maar de langere vertonen er tekenen van. Als zelfs langere fullertubes sterker fluoresceren, kunnen ze een zegen zijn voor onderzoek zoals dat van haar. "Ik denk dat het veel zal helpen met de opto-elektronische toepassingen," zei ze.

Volgens een zoektocht in academische publicaties zijn fullerenen sinds 2020 genoemd in ongeveer 22,700 artikelen. Nanobuisjes verschijnen in 93,000. Een zoekopdracht op grafeen levert meer dan 200,000 citaten op. Voor fullertubes is het totale aantal relevante publicaties op dit moment 94.

Meer onderzoekers zouden in de loop van de tijd de sprong naar vollere buizen kunnen maken, zegt Boghossian, als studies eigenschappen onthullen die lijken op die van nanobuisjes, met het extra voordeel van precieze lengtes. Toch, zei ze, "zal het enige aanpassing vergen, omdat mensen hun hele leven aan nanobuisjes [en andere koolstofvormen] hebben gewerkt."