Nuovi metallofullereni sintonizzabili sono sviluppati da un team di ricerca che comprende scienziati dell'Università di Electro-Communications, Tokio.

Piccole molecole su scala nanometrica sotto forma di gabbie di carbonio sferiche, o "fullereni", hanno ricevuto una notevole attenzione negli ultimi anni. Singoli o piccoli gruppi di atomi possono essere intrappolati all'interno di fullereni, creare molecole stabili con strutture elettroniche uniche e proprietà insolite che possono essere sfruttate nel campo dei nanomateriali e della scienza biomedica.

I metallofullereni endoedrici (EMF) sono una di queste classi di molecole, in cui uno o più atomi di metallo sono incapsulati all'interno di molti tipi di gabbie di carbonio. In modo cruciale, gli atomi di metallo non sono legati chimicamente con i bordi di carbonio, ma donano elettroni alla gabbia di carbonio. Gli scienziati hanno recentemente iniziato a capire come controllare il movimento, comportamento e posizionamento degli atomi racchiusi aggiungendo altri atomi, come silicio o germanio (nei loro gruppi sililici o germilici), alla superficie del fullerene. Ciò consente la manipolazione e la messa a punto delle proprietà dell'EMF.

Ora, Masahiro Kako e collaboratori dell'Università di Elettrocomunicazioni di Tokyo, insieme a scienziati in Giappone e negli Stati Uniti, hanno creato e analizzato gli effetti della sililazione e della germinazione su un EMF chiamato Lu3N@Ih-C80 (tre atomi di lutezio legati ad un atomo di azoto racchiuso all'interno di una gabbia di carbonio 80).

Utilizzando la cristallografia a raggi X, analisi elettrochimiche e calcoli teorici, il team ha scoperto che l'aggiunta di gruppi sililici o gruppi germilici alla struttura del fullerene era un modo versatile per controllare le proprietà elettroniche dell'EMF. L'esatto posizionamento dei gruppi sililici o germilici nel legame alla struttura del carbonio determinava i gap energetici presenti nell'EMF, e determinò l'orientamento degli atomi di metallo legati all'interno della gabbia.

I gruppi germilici hanno donato più elettroni e il processo ha funzionato in modo leggermente più efficiente rispetto ai gruppi sililici, ma Kako e il suo team credono che entrambi forniscano un modo efficace per mettere a punto le caratteristiche elettroniche dei campi elettromagnetici.

Una breve storia dei fullereni

I fullereni sono molecole di carbonio che assumono la forma di sfere. Il fullerene più famoso e abbondante è il buckminsterfullerene, o 'buckyball', C60, che assomiglia a un pallone da calcio in forma con un atomo di carbonio legato in ogni punto di ogni poligono.

metallofullereni endoedrici, o campi elettromagnetici, sono creati intrappolando uno o più atomi di metallo all'interno di una gabbia di fullereni, piuttosto come un criceto in una palla. Gli atomi intrappolati non sono legati chimicamente al carbonio, ma interagiscono con esso donando elettroni, creando così molecole uniche e molto utili per la scienza dei nanomateriali e la biomedicina.

Sililazione e germinazione

L'aggiunta di altri atomi alle superfici del fullerene può influenzare le proprietà dei campi elettromagnetici, regolando il comportamento degli atomi di metallo all'interno della gabbia del fullerene. In un campo elettromagnetico, il movimento degli atomi di lantanio è limitato a due dimensioni dall'aggiunta di gruppi sililici alla gabbia di carbonio. Ciò altera i potenziali elettrostatici all'interno della gabbia e limita la mobilità degli atomi di lantanio, e quindi cambia le proprietà complessive dell'intera molecola.

Questo studio di Masahiro Kako e collaboratori migliora ulteriormente la comprensione degli effetti della sililazione e della germinazione (l'aggiunta di gruppi a base di silicio e germanio) su campi elettromagnetici a base di lutezio. Il team ha dimostrato che l'esatto posizionamento degli atomi aggiuntivi nella struttura del carbonio può influenzare le lacune energetiche attraverso la molecola, consentendo loro di sintonizzare le proprietà elettroniche dell'EMF. Questa capacità di "regolare" i campi elettromagnetici potrebbe avere alcune applicazioni per i materiali funzionali nell'elettronica molecolare, come gli accettori nei dispositivi fotovoltaici organici.

Kako e il suo team sperano di condurre ulteriori indagini sull'aggiunta di gruppi alternativi di atomi ai fullereni, da aggiungere alle proprietà di sintonizzazione dei gruppi a base di silicio e germanio. Ciò potrebbe ampliare la versatilità dei campi elettromagnetici e le loro potenziali applicazioni in futuro.