211service.com
Buckyballs met een verrassing
Een in Virginia gevestigde startup genaamd Luna nanoWorks nadert de commercialisering van een nieuwe versie van buckyballs - voetbalvormige koolstofmoleculen - die volgens het bedrijf magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) kunnen verbeteren en tot zeer efficiënte zonnecellen kunnen leiden. Elke buckyball is gemaakt van 80 koolstofatomen met daarin opgesloten metaalnitrideclusters, waardoor een nanomateriaal ontstaat met nieuwe elektronische, optische en magnetische eigenschappen.
Luna nanoWorks brengt een nieuw soort buckyball op de markt waarin 80 koolstofatomen drie zeldzame-aardmetaalatomen in een metaalnitridecomplex omsluiten. Het molecuul is volgens het bedrijf veelbelovend voor het verbeteren van MRI-beelden en het maken van zeer efficiënte zonnecellen. (Tegoed: Robert Lenk, voorzitter, Luna nanoWorks)
Het nieuwe materiaal werd voor het eerst gemaakt door Harry Dorn en zijn collega's bij Virginia Tech, in Blacksburg, VA, per ongeluk. Wetenschappers creëren typisch buckyballs - holle bollen gemaakt van 60 koolstofatomen zijn de meest voorkomende soort - door een elektrische boog tussen twee grafietelektroden te slaan. Toen de Virginia Tech-onderzoekers deze fullerenen maakten met behulp van met metaalkatalysator doordrenkte elektroden, lekte er lucht in de elektrische boogkamer. Het resultaat was een groot aantal buckyball-kooien van 80 koolstof, elk met een metaalnitride-molecuul met drie metaalatomen erin opgesloten.
Onderzoekers hebben eerder metaalmoleculen in buckyballs ingesloten, maar dit zijn de eerste buckyballs die zeer onstabiele metaalnitride-moleculen omsluiten. Bovendien was de buckyball van 80 carbon zelf ongebruikelijk: niemand had er ooit een gemaakt, hol of gevuld. Hoewel de metaalnitride-moleculen en de 80-koolstof buckyball niet lang op zichzelf bestaan, stabiliseren ze elkaar in de nieuwe opstelling. Luna nanoWorks, gevestigd in Danville, VA, kan de fullerenen maken met verschillende combinaties van zeldzame aardmetalen, zoals scandium, yttrium en lanthaan.
De buckyball heeft een netto negatieve lading, terwijl de metalen cluster een netto positieve lading heeft. Deze ladingsverdeling van het metallische fullereenmolecuul geeft het interessante eigenschappen, die onderzoekers nog steeds proberen te begrijpen. Het is een zeer ongebruikelijk materiaal, niet je alledaagse compound, zegt James Cross , hoogleraar scheikunde aan de Yale University. Er kunnen gemakkelijk verschillende praktische toepassingen zijn, waarvan de meest veelbelovende MRI-verbetering is, zegt hij.
Luna nanoWorks, die de technologie van Virginia Tech in licentie heeft gegeven, zegt dat de materialen kunnen worden gebruikt als een effectiever contrastmiddel in MRI, dat wordt gebruikt om zacht lichaamsweefsel zoals de hersenen en het ruggenmerg in beeld te brengen. Artsen injecteren momenteel gadolinium in het lichaam van een patiënt vlak voor een MRI-onderzoek. Het metaal verbetert de resolutie van de scans en verhoogt het beeldcontrast. Maar gadolinium is giftig, dus het is omwikkeld met een organische verbinding. Dit elimineert het toxiciteitsrisico niet volledig, zegt Cross, en het beperkt de hoeveelheid gadolinium die artsen in het lichaam van de patiënt kunnen injecteren.
Daarentegen is de 80-koolstof buckyball een veel sterkere kooi voor het vangen van gadoliniumnitride voor de volgende generatie contrastmiddelen waar je ze op een bepaald orgaan of een bepaalde ziekte wilt richten, zegt Robert Lenk, president van Luna nanoWorks. Dorn en zijn collega's van Virginia Tech hebben inderdaad aangetoond dat de metaalnitride fullerenen een 40 keer beter contrast vertonen dan contrastmiddelen die momenteel op de markt zijn, hoewel het exacte mechanisme daarachter nog niet is begrepen. Voordat het materiaal echter voor MRI kan worden gebruikt, moet het een reeks veiligheids- en toxiciteitstests ondergaan en moet het worden goedgekeurd door de Food and Drug Administration. Het bedrijf is van plan dit te doen zodra het materiaal volledig is ontwikkeld.
Het opsluiten van andere metalen in de buckyball kan leiden tot verschillende toepassingen. Luna nanoWorks is van plan deze nanomaterialen te gebruiken om nieuwe soorten zeer efficiënte zonnecellen te maken, hoewel Lenk weigerde uit te leggen hoe ze zouden werken. Wanneer fotonen fotovoltaïsche materialen raken, worden een negatief geladen elektron en een positief geladen gat gecreëerd die vaak recombineren en niet bijdragen aan de elektrische stroom. Een van de actieve onderzoeksgebieden op dit moment is het vinden van efficiëntere manieren om het elektron-gatpaar te scheiden voordat ze kunnen recombineren, en daarmee de efficiëntie van zonnepanelen te verhogen, zegt Lenk.
Luna nanoWorks verkoopt al milligramhoeveelheden van het materiaal aan onderzoekers, en door zulke relatief grote hoeveelheden te kunnen maken, onderscheidt het bedrijf zich van anderen in het onderzoeksveld, zegt Cross. Hoewel Duitse en Japanse groepen veel werk hebben verricht aan metaalnitride-fullerenen, had geen enkele een manier om voldoende hoeveelheden van het materiaal te maken. Ze zouden een paar microgram van deze dingen krijgen, zegt Cross. Het was duidelijk niet genoeg om serieuze scheikunde te doen of toepassingen te vinden. De methode van Dorn daarentegen creëert grammen van het materiaal.
Er zijn allerlei dingen die je met dit materiaal kunt doen door er verschillende metaalmoleculen in te stoppen, zegt Cross. Dit zou wel eens een prototype kunnen zijn voor een veel uitgebreidere reeks verbindingen die hun eigen reeks interessante eigenschappen kunnen hebben.