Chemici maken een gloednieuw soort nanomateriaal

Er is een nieuw nanomateriaal op het blok. Chemici van de Universiteit van Oregon hebben een manier gevonden om op koolstof gebaseerde moleculen te maken met een uniek structureel kenmerk: in elkaar grijpende ringen.

Net als andere nanomaterialen hebben deze aan elkaar gekoppelde moleculen interessante eigenschappen die kunnen worden “afgesteld” door hun grootte en chemische samenstelling te veranderen. Dat maakt ze potentieel nuttig voor een reeks toepassingen, zoals gespecialiseerde sensoren en nieuwe soorten elektronica.

“Het is een nieuwe topologie voor koolstofnanomaterialen en we vinden nieuwe eigenschappen die we nog niet eerder hebben kunnen zien”, zegt James May, een afgestudeerde student in het laboratorium van professor scheikunde Ramesh Jasti en de eerste auteur van het artikel. May en zijn collega’s rapporteren hun bevindingen in een paper gepubliceerd in Natuur chemie.

Hoewel andere laboratoria ook verschillende soorten in elkaar grijpende moleculen hebben gesynthetiseerd, maakt de methode van het Jasti-lab het mogelijk om koolstofnanobuisachtige structuren aan elkaar te koppelen. Het stelt chemici in staat om veel verschillende variaties op de structuur aan te brengen en de eigenschappen van de nieuwe materialen beter te onderzoeken.

“Je kunt structuren maken die met andere methoden niet mogelijk zijn,” zei Jasti.

Zijn team gebruikte de aanpak bijvoorbeeld om drie in elkaar grijpende ringen te maken, evenals een staafachtige structuur met meerdere ringen die op en neer kunnen schuiven. De opmars kwam voort uit Jasti’s werk aan nanohoops, ringen van koolstofatomen die een ingetogen variant zijn van lange, magere koolstofnanobuisjes.

“Omdat we deze cirkelvormige structuren naar believen kunnen maken, begon ik te denken: zou je dingen kunnen maken die gewoon niet in de natuur bestaan?” zei Jasti. “Dat is waar dit idee van in elkaar grijpende ringen om de hoek kwam kijken.”

Het vinden van een reeks chemische reacties die de gecompliceerde ringstructuren konden genereren, vergde een creatieve benadering. Hun oplossing hangt af van het toevoegen van een strategisch geplaatst metaalatoom aan één ring. Dat metaal zet de chemische reactie op gang om de tweede ring te maken, waardoor het binnen de eerste ring moet gebeuren. Zodra die reactie plaatsvindt, zit de tweede ring gevangen, samen vergrendeld met de eerste ring.

“We zijn in staat om chemie te laten gebeuren in een ruimte waar het misschien nooit zal gebeuren”, zei May.

De in elkaar grijpende moleculen gedragen zich anders als hun grootte verandert of als de ringen anders zijn gerangschikt of als er verschillende chemische elementen in de mix worden gegooid. Door aanpassingen op nanoschaal aan te brengen, kunnen wetenschappers het materiaal verbeteren om precies te doen wat ze willen dat het doet. Omdat de klasse van materialen zo nieuw is, zijn wetenschappers nog steeds bezig met het uitzoeken van alle mogelijkheden.

Maar het team van Jasti is vooral geïnteresseerd in hun potentieel als sensoren, waarbij een verandering in de positie van de ringen als reactie op een bepaalde chemische stof kan leiden tot een fluorescerende gloed.

Ze kunnen ook worden gebruikt om flexibele elektronica of dynamische biomedische materialen te maken.

“Typische koolstofnanomaterialen zoals koolstofnanobuisjes, grafeen of zelfs diamant zijn statische materialen”, zei hij. “Hier hebben we nieuwe soorten koolstofnanomaterialen gemaakt die hun fascinerende elektrische en optische eigenschappen behouden, maar nu dingen kunnen doen zoals roteren, comprimeren of uitrekken.”