211service.com
Buckyballs med en overraskelse
En Virginia-baseret startup kaldet Luna nanoWorks nærmer sig kommercialiseringen af en ny version af buckyballs – fodboldformede kulstofmolekyler – som virksomheden siger kunne forbedre magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og føre til højeffektive solceller. Hver buckyball er lavet af 80 kulstofatomer med metal-nitrid-klynger fanget inde, hvilket skaber et nanomateriale med nye elektroniske, optiske og magnetiske egenskaber.
Luna nanoWorks kommercialiserer en ny slags buckyball, hvor 80 kulstofatomer omslutter tre sjældne jordarters metalatomer i et metalnitridkompleks. Molekylet viser løfte om at forbedre MR-billeder og lave højeffektive solceller, ifølge virksomheden. (Kredit: Robert Lenk, præsident, Luna nanoWorks)
Det nye materiale blev først lavet af Harry Dorn og hans kolleger hos Virginia Tech i Blacksburg, VA, ved et uheld. Forskere skaber typisk buckyballs - hule kugler lavet af 60 kulstofatomer er den mest almindelige slags - ved at slå en elektrisk bue mellem to grafitelektroder. Da Virginia Tech-forskerne lavede disse fullerener ved hjælp af metalkatalysator-infunderede elektroder, lækkede luft ind i det elektriske lysbuekammer. Resultatet var et stort antal 80-carbon buckyball-bure, hver med et metal-nitrid-molekyle med tre metalatomer fanget indeni.
Forskere har indesluttet metalmolekyler i buckyballs før, men disse er de første buckyballs, der omslutter meget ustabile metalnitrid-molekyler. Hvad mere er, selve 80-carbon buckyballen var usædvanlig: ingen havde nogensinde før lavet en, hverken hul eller fyldt. Selvom metalnitrid-molekylerne og 80-carbon buckyballen ikke eksisterer længe alene, stabiliserer de hinanden i det nye arrangement. Luna nanoWorks, baseret i Danville, VA, kan fremstille fullerenerne med forskellige kombinationer af sjældne jordarters metaller, såsom scandium, yttrium og lanthan.
Buckyballen har en netto negativ ladning, mens metalklyngen har en netto positiv. Denne ladningsfordeling af det metalliske fullerenmolekyle giver det interessante egenskaber, som forskerne stadig forsøger at forstå. Det er et meget usædvanligt materiale, ikke din løbe-of-the-mill sammensætning, siger James Cross , professor i kemi ved Yale University. Der kunne sagtens være forskellige praktiske anvendelser, hvor den mest lovende er MR-forbedring, siger han.
Luna nanoWorks, som licenserede teknologien fra Virginia Tech, siger, at materialerne kunne bruges som et mere effektivt kontrastmiddel i MRI, som bruges til at afbilde blødt kropsvæv såsom hjernen og rygmarven. Læger injicerer i øjeblikket gadolinium i en patients krop lige før en MR-undersøgelse. Metallet forbedrer opløsningen af scanningerne og øger billedkontrasten. Men gadolinium er giftigt, så det er pakket ind med en organisk forbindelse. Dette eliminerer ikke toksicitetsrisikoen fuldstændigt, siger Cross, og det begrænser mængden af gadolinium, som læger kan injicere i patientens krop.
I modsætning hertil er buckyballen med 80 kulstof et meget stærkere bur til at fange gadoliniumnitrid til den næste generation af kontrastmidler, hvor du vil målrette dem mod et bestemt organ eller sygdomstilstand, siger Robert Lenk, Luna nanoWorks' præsident. Faktisk har Dorn og hans kolleger hos Virginia Tech vist, at metalnitrid fullerenerne viser 40 gange bedre kontrast end kontrastmidler på markedet i øjeblikket, selvom den nøjagtige mekanisme bag det endnu ikke er forstået. Før materialet kan bruges til MRI, skal det dog gennemgå et batteri af sikkerheds- og toksicitetstests og få Food and Drug Administration-godkendelse. Virksomheden planlægger at gøre dette, når materialet er færdigudviklet.
At fange andre metaller i buckyballen kan føre til forskellige anvendelser. Luna nanoWorks planlægger at bruge disse nanomaterialer til at lave nye typer højeffektive solceller, selvom Lenk afviste at forklare, hvordan de ville fungere. Når fotoner rammer fotovoltaiske materialer, skabes en negativt ladet elektron og et positivt ladet hul, der ofte rekombinerer og ikke bidrager til den elektriske strøm. Et af de aktive forskningsområder lige nu er at finde mere effektive måder at adskille elektron-hul-parret, før de kan rekombinere, og derfor øge effektiviteten af solpaneler, siger Lenk.
Luna nanoWorks sælger allerede milligrammængder af materialerne til forskere, og at kunne lave så relativt store mængder adskiller virksomheden fra andre på forskningsområdet, siger Cross. Mens tyske og japanske grupper har udført betydeligt arbejde på metalnitrid fullerener, havde ingen en måde at fremstille tilstrækkelige mængder af materialet på. De ville få et par mikrogram af disse ting, siger Cross. Det var tydeligvis ikke nok at lave nogen form for seriøs kemi eller finde nogen applikationer. Dorns metode skaber på den anden side gram af materialet.
Der er alle mulige ting, man kan gøre med dette materiale ved at putte forskellige metalmolekyler indeni, siger Cross. Dette kan meget vel være en prototype til en meget mere omfattende serie af forbindelser, som kan have deres eget sæt interessante egenskaber.