La scoperta 30 anni fa di molecole di carbonio a forma di pallone da calcio chiamate buckyball ha contribuito a stimolare un'esplosione della ricerca sulle nanotecnologie. Ora, sembra che ci sia una nuova palla in campo.

Ricercatori della Brown University, La Shanxi University e la Tsinghua University in Cina hanno dimostrato che un cluster di 40 atomi di boro forma una gabbia molecolare cava simile a un buckyball di carbonio. È la prima prova sperimentale che una struttura a gabbia di boro, in precedenza solo una questione di speculazione, esiste davvero.

"Questa è la prima volta che una gabbia di boro è stata osservata sperimentalmente, " ha detto Lai-Sheng Wang, un professore di chimica alla Brown che ha guidato la squadra che ha fatto la scoperta. "Come chimico, trovare nuove molecole e strutture è sempre emozionante. Il fatto che il boro abbia la capacità di formare questo tipo di struttura è molto interessante".

Wang e i suoi colleghi descrivono la molecola, che hanno soprannominato borospherene, nel diario Chimica della natura .

I buckyball di carbonio sono composti da 60 atomi di carbonio disposti in pentagoni ed esagoni per formare una sfera, come un pallone da calcio. La loro scoperta nel 1985 fu presto seguita dalla scoperta di altre strutture cave di carbonio, inclusi i nanotubi di carbonio. Un altro famoso nanomateriale di carbonio, un foglio dello spessore di un atomo chiamato grafene, è seguito poco dopo.

Dopo i buckyball, gli scienziati si sono chiesti se altri elementi potessero formare queste strane strutture cave. Un candidato era boro, vicino del carbonio sulla tavola periodica. Ma poiché il boro ha un elettrone in meno del carbonio, non può formare la stessa struttura di 60 atomi trovata nel buckyball. Gli elettroni mancanti causerebbero il collasso dell'ammasso su se stesso. Se esistesse una gabbia di boro, dovrebbe avere un numero diverso di atomi.

Wang e il suo gruppo di ricerca studiano la chimica del boro da anni. In un documento pubblicato all'inizio di quest'anno, Wang e i suoi colleghi hanno dimostrato che gruppi di 36 atomi di boro formano dischi dello spessore di un atomo, che potrebbero essere cuciti insieme per formare un analogo al grafene, soprannominato borofene. Il lavoro preliminare di Wang ha suggerito che c'era anche qualcosa di speciale nei cluster di boro con 40 atomi. Sembravano essere anormalmente stabili rispetto ad altri cluster di boro. Capire che aspetto ha quel cluster di 40 atomi ha richiesto una combinazione di lavoro sperimentale e modellazione utilizzando supercomputer ad alta potenza.

Sul computer, I colleghi di Wang hanno modellato oltre 10, 000 possibili disposizioni di 40 atomi di boro legati tra loro. Le simulazioni al computer stimano non solo le forme delle strutture, ma stima anche l'energia di legame degli elettroni per ciascuna struttura, una misura di quanto una molecola trattiene i suoi elettroni. Lo spettro delle energie di legame funge da impronta digitale unica di ogni potenziale struttura.

Il prossimo passo è testare le effettive energie di legame dei cluster di boro in laboratorio per vedere se corrispondono a una qualsiasi delle strutture teoriche generate dal computer. Fare quello, Wang e i suoi colleghi hanno utilizzato una tecnica chiamata spettroscopia fotoelettronica.

Pezzi di boro sfuso vengono eliminati con un laser per creare vapore di atomi di boro. Un getto di elio congela quindi il vapore in minuscoli grappoli di atomi. I cluster di 40 atomi sono stati isolati in base al peso, quindi zappati con un secondo laser, che fa uscire un elettrone dall'ammasso. L'elettrone espulso vola lungo un lungo tubo che Wang chiama la sua "pista di elettroni". La velocità con cui gli elettroni volano lungo la pista viene utilizzata per determinare lo spettro di energia di legame degli elettroni del cluster, la sua impronta digitale strutturale.

Gli esperimenti hanno mostrato che i cluster di 40 atomi formano due strutture con distinti spettri di legame. Quegli spettri si sono rivelati una corrispondenza esatta con gli spettri per due strutture generate dai modelli al computer. Uno era una molecola semi-piatta e l'altro era la gabbia sferica simile a un buckyball.

"L'avvistamento sperimentale di uno spettro vincolante che corrispondeva ai nostri modelli era di fondamentale importanza, " ha detto Wang. "L'esperimento ci dà queste firme molto specifiche, e quelle firme si adattano ai nostri modelli."

La molecola di borospherene non è così sferica come il suo cugino di carbonio. Piuttosto che una serie di anelli a cinque e sei membri formati da carbonio, il borospherene è composto da 48 triangoli, quattro anelli a sette lati e due anelli a sei membri. Diversi atomi sporgono un po' dagli altri, rendendo la superficie del borospherene un po' meno liscia di un buckyball.

Per quanto riguarda i possibili usi del borospherene, è un po' troppo presto per dirlo, dice Wang. Una possibilità, fa notare, potrebbe essere lo stoccaggio dell'idrogeno. A causa della carenza di elettroni del boro, il borospherene si legherebbe probabilmente bene con l'idrogeno. Quindi minuscole gabbie di boro potrebbero fungere da case sicure per le molecole di idrogeno.

Ma per ora, Wang si sta godendo la scoperta.

"Per noi, solo per essere il primo ad averlo notato, è un grosso problema, " Disse Wang. "Naturalmente se si rivelasse utile sarebbe fantastico, ma non lo sappiamo ancora. Si spera che questa scoperta iniziale stimolerà ulteriore interesse per i cluster di boro e nuove idee per sintetizzarli in grandi quantità".