211service.com
Buckyballs med en överraskning
En Virginia-baserad startup som heter Luna nanoWorks närmar sig kommersialisering av en ny version av buckyballs – fotbollsformade kolmolekyler – som företaget säger skulle kunna förbättra magnetisk resonanstomografi (MRI) och leda till högeffektiva solceller. Varje buckyball är gjord av 80 kolatomer med metallnitridkluster fångade inuti, vilket skapar ett nanomaterial med nya elektroniska, optiska och magnetiska egenskaper.
Luna nanoWorks kommersialiserar en ny typ av buckyball där 80 kolatomer omsluter tre sällsynta jordartsmetallatomer i ett metallnitridkomplex. Molekylen visar lovande för att förbättra MRI-bilder och göra högeffektiva solceller, enligt företaget. (Kredit: Robert Lenk, VD, Luna nanoWorks)
Det nya materialet gjordes först av Harry Dorn och hans kollegor på Virginia Tech, i Blacksburg, VA, av en slump. Forskare skapar vanligtvis buckyballs - ihåliga sfärer gjorda av 60 kolatomer är den vanligaste typen - genom att slå en elektrisk båge mellan två grafitelektroder. När Virginia Tech-forskarna tillverkade dessa fullerener med metallkatalysatorinfunderade elektroder, läckte luft in i ljusbågskammaren. Resultatet blev ett stort antal buckyballburar med 80 kol, var och en med en metallnitridmolekyl med tre metallatomer fångade inuti.
Forskare har inneslutit metallmolekyler i buckyballs tidigare, men dessa är de första buckyballs som innesluter mycket instabila metallnitridmolekyler. Dessutom var buckybollen med 80 kol i sig ovanlig: ingen hade någonsin gjort en, varken ihålig eller fylld. Även om metallnitridmolekylerna och buckyballen med 80 kol inte existerar på egen hand länge, stabiliserar de varandra i det nya arrangemanget. Luna nanoWorks, baserat i Danville, VA, kan tillverka fullerener med olika kombinationer av sällsynta jordartsmetaller, såsom skandium, yttrium och lantan.
Buckybollen har en netto negativ laddning, medan metallklustret har en netto positiv. Denna laddningsfördelning av den metalliska fullerenmolekylen ger den intressanta egenskaper, som forskare fortfarande försöker förstå. Det är ett mycket ovanligt material, inte din vanliga blandning, säger James Cross , professor i kemi vid Yale University. Det kan lätt finnas olika praktiska tillämpningar, den mest lovande är MRT-förbättring, säger han.
Luna nanoWorks, som licensierat tekniken från Virginia Tech, säger att materialen kan användas som ett mer effektivt kontrastmedel i MRI, som används för att avbilda mjuk kroppsvävnad som hjärnan och ryggmärgen. Läkare injicerar för närvarande gadolinium i en patients kropp precis innan en MRT-undersökning. Metallen förbättrar upplösningen på skanningarna och ökar bildkontrasten. Men gadolinium är giftigt, så det är insvept med en organisk förening. Detta eliminerar inte toxicitetsrisken helt, säger Cross, och det begränsar mängden gadolinium som läkare kan injicera i patientens kropp.
Däremot är buckyballen med 80 kol en mycket starkare bur för att fånga gadoliniumnitrid för nästa generation av kontrastmedel där du vill rikta dem mot ett visst organ eller sjukdomstillstånd, säger Robert Lenk, Luna nanoWorks president. I själva verket har Dorn och hans kollegor vid Virginia Tech visat att fullerenerna av metallnitrid visar 40 gånger bättre kontrast än kontrastmedel som för närvarande finns på marknaden, även om den exakta mekanismen bakom det ännu inte är klarlagd. Innan materialet kan användas för MRT, skulle det dock behöva genomgå ett batteri av säkerhets- och toxicitetstester och få Food and Drug Administration-godkännande. Företaget planerar att göra detta när materialet är färdigutvecklat.
Att fånga andra metaller i buckyballen kan leda till olika tillämpningar. Luna nanoWorks planerar att använda dessa nanomaterial för att göra nya typer av högeffektiva solceller, även om Lenk avböjde att förklara hur de skulle fungera. När fotoner träffar solcellsmaterial skapas en negativt laddad elektron och ett positivt laddat hål som ofta rekombinerar och inte bidrar till den elektriska strömmen. Ett av de aktiva forskningsområdena just nu är att hitta mer effektiva sätt att separera elektron-hålsparet innan de kan kombineras igen, och därför öka effektiviteten hos solpaneler, säger Lenk.
Luna nanoWorks säljer redan milligramkvantiteter av materialen till forskare och att kunna tillverka så relativt stora kvantiteter skiljer företaget från andra inom forskningsområdet, säger Cross. Medan tyska och japanska grupper har gjort betydande arbete på metallnitridfullerener, hade ingen ett sätt att göra tillräckliga mängder av materialet. De skulle få några mikrogram av dessa saker, säger Cross. Det var uppenbarligen inte tillräckligt att göra någon form av seriös kemi eller hitta några applikationer. Dorns metod å andra sidan skapar gram av materialet.
Det finns alla möjliga saker man kan göra med det här materialet genom att sätta olika metallmolekyler inuti, säger Cross. Detta kan mycket väl vara en prototyp för en mycket mer omfattande serie av föreningar som kan ha sina egna intressanta egenskaper.