Una sezione trasversale illustrata di un nanotubo creato dai chimici UB. Le strutture verdi sono gruppi di acidi carbossilici carichi negativamente, che aiutano a intrappolare particelle cariche positivamente.
(PhysOrg.com) -- Usando un design intelligente ma elegante, I chimici dell'Università di Buffalo hanno sintetizzato minuscoli, gabbie molecolari che possono essere utilizzate per catturare e purificare i nanomateriali.
Scolpito da un tipo speciale di molecola chiamata "molecola a scovolino, "le trappole sono costituite da minuscoli, tubi organici le cui pareti interne portano una carica negativa. Questa caratteristica consente ai tubi di incapsulare selettivamente solo particelle caricate positivamente.
Inoltre, perché gli scienziati UB costruiscono i tubi da zero, possono creare trappole di diverse dimensioni che intrappolano prede molecolari di diverse dimensioni. Il livello di messa a punto possibile è notevole:nel Giornale della Società Chimica Americana , i ricercatori riferiscono di essere stati in grado di creare nanotubi che hanno catturato particelle di 2,8 nanometri di diametro, lasciando intatte le particelle di appena 1,5 nanometri più grandi.
Questi tipi di gabbie potrebbero essere utilizzati, nel futuro, per velocizzare compiti noiosi, come la separazione di punti quantici grandi da punti quantici piccoli, o separare le proteine per dimensione e carica.
"Le forme e le dimensioni delle molecole e dei nanomateriali determinano la loro utilità per le applicazioni desiderate. Le nostre gabbie molecolari consentiranno di separare particelle e molecole con dimensioni predeterminate, creando così blocchi di costruzione uniformi per la fabbricazione di materiali avanzati, " ha detto Javid Rzayev, l'assistente professore di chimica dell'UB che ha guidato la ricerca.
"Proprio come un appaltatore vuole che i quadrati di piastrelle o i mattoni abbiano le stesse dimensioni in modo che si adattino bene insieme, gli scienziati sono desiderosi di produrre particelle di dimensioni nanometriche con le stesse dimensioni, che può fare molto per creare materiali uniformi e ben educati, " ha detto Rzaev.
Un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione delle trappole di nanotubi organici, con il colore aggiunto attraverso il miglioramento digitale.
Per creare le trappole, Rzayev e il suo team hanno prima costruito un tipo speciale di molecola chiamata molecola dello scovolino. Questi assomigliano a una spazzola per capelli rotonda, con "setole" molecolari che sporgono tutt'intorno a una spina dorsale molecolare.
Dopo aver unito le setole, i ricercatori hanno scavato il centro di ogni molecola di scovolino, lasciando dietro di sé una struttura a forma di tubo di carta igienica.
Il processo di intaglio impiegava una chimica semplice ma intelligente:quando costruivano le loro molecole di scovolino, gli scienziati hanno costruito il cuore di ogni molecola utilizzando strutture molecolari che si disintegrano quando entrano in contatto con l'acqua. Intorno a questo nucleo, gli scienziati hanno poi attaccato uno strato di gruppi di acidi carbossilici carichi negativamente.
Per scolpire la molecola, gli scienziati poi l'hanno immersa nell'acqua, scavando di fatto il nucleo. La struttura risultante era la trappola, un nanotubo le cui pareti interne erano caricate negativamente a causa della presenza dei gruppi di acido carbossilico appena esposti.
Per testare l'efficacia dei tubi come trappole, Rzayev e colleghi hanno progettato una serie di esperimenti che coinvolgono un cocktail chimico a due strati.
Lo strato inferiore del cocktail consisteva in una soluzione di cloroformio contenente i nanotubi, mentre lo strato superiore era costituito da una soluzione a base acquosa contenente coloranti caricati positivamente. (Come in un'alba di tequila, il più sottile, la soluzione a base d'acqua galleggia sopra la soluzione di cloroformio più densa, con poca mescolanza.)
Quando gli scienziati hanno agitato il cocktail per cinque minuti, i nanotubi si sono scontrati e hanno intrappolato i coloranti, portando i coloranti nella soluzione cloroformica. (I coloranti, da soli, non sciogliere in cloroformio.)
In esperimenti simili, Rzayev e il suo team sono stati in grado di utilizzare i nanotubi per estrarre molecole con carica positiva chiamate dendrimeri da una soluzione acquosa. I nanotubi sono stati realizzati in modo da intrappolare dendrimeri con un diametro di 2,8 nanometri, mentre i dendrimeri con un diametro di 4,3 nanometri sono stati lasciati in soluzione.
Per rimuovere i dendrimeri catturati dai nanotubi, i ricercatori hanno semplicemente abbassato il pH della soluzione di cloroformio, che spegne la carica negativa all'interno delle trappole e permette alle particelle catturate di essere liberate dalle loro gabbie.
La ricerca sui nanotubi fa parte di una più ampia serie di studi che Rzayev sta conducendo sulle molecole degli scovolini utilizzando un premio alla CARRIERA della National Science Foundation. Il suo altro lavoro include la fabbricazione di nanomembrane a base di scovolini che potrebbero essere adattate per la filtrazione dell'acqua, e l'assemblaggio di strati, polimeri portabottiglie che riflettono la luce visibile come fanno le ali di una farfalla.
