Gli scienziati della Florida State University stanno offrendo una nuova comprensione di come si forma un intrigante nanomateriale, il metallofullerene, in uno studio di ricerca pubblicato di recente.

I metallofullereni fanno parte della famiglia del carbonio, e parenti di quelli che sono comunemente conosciuti come buckyballs. Buckyballs, o fullereni, sono vuote, a forma di pallone da calcio, gabbie sferiche che rappresentano una forma base del carbonio. Gli spazi vuoti nei fullereni possono intrappolare atomi di metallo, con conseguente metallofullereni.

"I metallofullereni sono una forma unica di nanocarbonio molecolare, " dice il chimico dell'FSU Paul Dunk, coautore dello studio. "Sono potenzialmente utili in una serie di diagnostica biomedica, in particolare come agenti di contrasto per risonanza magnetica."

I risultati pubblicati potrebbero aiutare a spianare la strada ad applicazioni a base di metallofullerene che vanno dalla biomedicina all'energia rinnovabile. L'articolo, "La formazione dal basso verso l'alto di metallofullereni endoedrici è diretta dal trasferimento di carica, " è stato pubblicato nel numero di dicembre di Comunicazioni sulla natura .

"A determinate condizioni, i metallofullereni possono avere proprietà spettacolari che li rendono apprezzati come materiali avanzati per una serie di tecnologie, come la conversione della luce solare in elettricità e come possibili componenti dell'elettronica molecolare, " ha detto Dunk.

Le gabbie di carbonio incapsulate in metallo possono anche essere importanti molecole cosmiche, formandosi in ambienti stellari e polvere di stelle.

Per scoprire come vengono sintetizzati i metallofullereni in laboratorio, il team di ricerca ha fatto affidamento sulla strumentazione ad alto campo magnetico disponibile presso l'impianto di risonanza del ciclotrone ionico presso il National High Magnetic Field Laboratory. Il team internazionale comprendeva:Harry Kroto della Florida State, vincitore del premio Nobel 1996 per la chimica per la scoperta dei fullereni; chimici MagLab; e scienziati dell'Università Rovira i Virgili in Spagna e dell'Università di Nagoya in Giappone.

I metallofullereni sono realizzati con un processo sorprendentemente semplice:mescolare grafite e un metallo, e poi vaporizzarlo in fuliggine, che sembra la roba nera dalla fiamma di una candela. Da quella fuliggine, metallofullereni si trovano misteriosamente.

"Evaporando carbonio e metallo nelle giuste condizioni, questi affascinanti materiali si assemblano spontaneamente, "Dunk ha detto. "Ma se il modo principale in cui si formano non è nemmeno noto, è difficile capire come produrre al meglio queste eccitanti molecole".

Mentre gabbie vuote come Buckminsterfullerene, C60, sono disponibili in tonnellate oggi, i metallofullereni soffrono di quantità limitate, ostacolando così una ricerca che esplori completamente la materia.

"Abbiamo visto per la prima volta prove di metallofullereni pochi giorni dopo la scoperta del Buckminsterfullerene nel 1985, ma non eravamo sicuri di come si fossero formati. Era semplicemente incredibile che lo facessero, " Ha detto Kroto. "Questo è stato quasi tre decenni fa. Nonostante i grandi progressi degli ultimi 10 anni, il processo di formazione si è rivelato molto impegnativo perché avviene in un batter d'occhio."

Per scoprire il puzzle di vecchia data, i ricercatori hanno usato un laser per far saltare la grafite drogata con il metallo, e i prodotti complessi formati sono stati analizzati dallo spettrometro di massa a risonanza ciclotronica a ioni di trasformata di Fourier da 9,4 tesla del laboratorio. La potente tecnica di analisi ha permesso al team di studiare meticolosamente la formazione di metallofullerene con ben 90 elementi diversi, quasi tutti gli elementi disponibili della tavola periodica.

I risultati senza precedenti hanno permesso di ricostruire il meccanismo di formazione, basandosi sul recente lavoro pionieristico sulle gabbie vuote dello stesso gruppo.

In precedenza, è stato previsto che fogli piatti di carbonio dovrebbero essere espulsi dalla grafite e avvicinarsi per formare metallofullereni giganti, che potrebbero poi ipoteticamente "rimpicciolirsi" in gabbie di medie dimensioni più comunemente utilizzate in biomedicina e tecnologia.

Però, i ricercatori hanno osservato un risultato opposto nei loro esperimenti. Hanno scoperto che un atomo di metallo inizialmente nuclea carbonio per formare metallofullereni molto piccoli, che poi crescono nelle ben note gabbie di dimensioni maggiori.

Il tipo di metallo incapsulato sembrava influenzare in modo significativo la velocità con cui i piccoli metallofullereni sono cresciuti nelle più utili gabbie di medie dimensioni, che potrebbe aiutare a spiegare la bassa resa di metallofullereni mediante l'uso di metodi di sintesi tipici.

Chiarire il modo in cui avviene la costruzione molecolare di queste gabbie di carbonio incapsulate in metallo dovrebbe aiutare ad aprire nuove direzioni nella nanotecnologia.

"Speriamo che questi risultati siano utili nell'elaborazione di nuove strategie di produzione per realizzare pienamente le applicazioni del metallofullerene ed esplorare ulteriormente le loro straordinarie proprietà, che sicuramente gioverebbe alla società, " ha detto Dunk.