Er wordt een nieuw fullertube-molecuul gevonden

Jarenlang heeft C₁₃₀ Fullertubes – moleculen bestaande uit 130 koolstofatomen – hebben alleen in theorie bestaan. Nu heeft een UdeM-promovendus in de natuurkunde, die leiding geeft aan een internationaal team van wetenschappers, ze met succes in het echt getoond – en er zelfs in geslaagd sommige op een foto vast te leggen.

De ontdekking werd voor het eerst online gepubliceerd afgelopen oktober en werd gedaan door Bourret als hoofdwetenschapper van een interuniversitair team waartoe ook onderzoekers van Purdue University, Virginia Tech en het Oak Ridge National Laboratory in Tennessee behoorden.

Een vollere buis is in feite een verzameling koolstofatomen die zijn gerangschikt om een ​​gesloten buisvormige kooi te vormen. Het is gerelateerd aan fullerenen, moleculen die worden voorgesteld als kooien van onderling verbonden zeshoeken en vijfhoeken en die in een grote verscheidenheid aan maten en vormen voorkomen.

Bijvoorbeeld een C₆₀ fullereen bestaat uit 60 koolstofatomen en heeft de vorm van een voetbal. Het is relatief klein, bolvormig en zeer overvloedig. C₁₂₀ fullerenen komen minder vaak voor. Ze zijn langer en hebben de vorm van een buis die aan beide uiteinden is afgesloten met de twee helften van een C₆₀ fullereen.

Gevonden in roet

De C₁₃₀ vollertube (of C₁₃₀-D_5ude volledige wetenschappelijke naam) is langwerpiger dan de C₁₂₀ en nog zeldzamer. Om het te isoleren, genereerden Bourret en zijn team een ​​elektrische boog tussen twee grafietelektroden om roet te produceren dat fullereen- en fullertube-moleculen bevatte. De elektronische structuur van deze moleculen werd vervolgens berekend met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT).

“Gebaseerd op de principes van de kwantummechanica, stelt DFT ons in staat om elektronische structuren te berekenen en de eigenschappen van een molecuul te voorspellen met behulp van de fundamentele regels van de natuurkunde”, aldus Bourrets scriptiebegeleider, UdeM-fysicaprofessor Michel Côté, onderzoeker aan het Institut Courtois van de universiteit.

Met speciale software kon Bourret de structuur van het C130-molecuul beschrijven: het is een buisje met aan de uiteinden twee halve bollen, waardoor het lijkt op een microscopisch kleine capsule. Het meet iets minder dan 2 nanometer lang en 1 nm breed.

“De structuur van de buis bestaat in principe uit atomen die in zeshoeken zijn gerangschikt”, zegt Bourret. “Aan de twee uiteinden zijn deze zeshoeken verbonden door vijfhoeken, waardoor ze hun ronde vorm krijgen.”

Bourret begon in 2014 met theoretisch werk aan fullertubes onder zijn toenmalige supervisor Jiri Patera, een UdeM-wiskundeprofessor. Nadat Patera in januari 2022 overleed, benaderde Bourret vervolgens Côté, die zijn nieuwe supervisor werd.

Bestaan ​​getoond in 2020

Twee jaar daarvoor had Bourret een artikel gelezen van professor Steven Stevenson, professor aan de Purdue University in Fort Wayne, die de experimentele isolatie van bepaalde fullertubes beschreef, waarbij hij hun bestaan ​​aantoonde, maar ze niet allemaal identificeerde.

Onder leiding van Côté ging Bourret aan de slag om de kennis over dit onderwerp te vergroten.

“Emmanuel had een sterke achtergrond in abstracte wiskunde”, herinnert Bourret zich, “en hij voegde een interessante dimensie toe aan mijn onderzoeksgroep, die zich richt op meer computationele benaderingen.”

“Het is in dit stadium moeilijk te zeggen, maar een mogelijkheid zou de productie van waterstof kunnen zijn”, zegt Côté. “Wat momenteel wordt gebruikt is een katalysator gemaakt van platina en rubidium, die beide zeldzaam en duur zijn. Ze worden vervangen door koolstofstructuren zoals C₁₃₀ zou het mogelijk maken om waterstof op een ‘groenere’ manier te produceren.”

De bevindingen zijn gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society.