Des scientifiques de la Florida State University offrent une nouvelle compréhension de la formation d'un nanomatériau intrigant, le métallofullerène, dans une étude de recherche récemment publiée.

Les métallofullerènes font partie de la famille du carbone, et parent de ce qui est populairement connu sous le nom de buckyballs. Buckyballs, ou fullerènes, sont creux, en forme de ballon de football, cages sphériques qui représentent une forme basique de carbone. Les espaces vides dans les fullerènes peuvent piéger des atomes métalliques, résultant en métallofullerènes.

"Les métallofullerènes sont une forme unique de nanocarbone moléculaire, " dit le chimiste de la FSU Paul Dunk, un co-auteur de l'étude. « Ils sont potentiellement utiles dans un certain nombre de diagnostics biomédicaux, en particulier en tant qu'agents de contraste pour l'IRM."

Les résultats publiés pourraient aider à ouvrir la voie à des applications à base de métallofullerène allant de la biomédecine aux énergies renouvelables. L'article, "La formation de bas en haut des métallofullerènes endoédriques est dirigée par transfert de charge, " a été publié dans le numéro de décembre de Communication Nature .

"Sous certaines conditions, les métallofullerènes peuvent avoir des propriétés spectaculaires qui les rendent prisés en tant que matériaux avancés pour un éventail de technologies, comme la conversion de la lumière du soleil en électricité et en tant que composants possibles de l'électronique moléculaire, " a déclaré Dunk.

Les cages de carbone encapsulées dans du métal peuvent même être d'importantes molécules cosmiques, formation dans les environnements stellaires et la poussière d'étoile.

Pour découvrir comment les métallofullerènes sont synthétisés en laboratoire, l'équipe de recherche s'est appuyée sur l'instrumentation à champ magnétique élevé disponible à l'installation de résonance cyclotron ionique du National High Magnetic Field Laboratory. L'équipe internationale comprenait :Harry Kroto de Florida State, lauréat du prix Nobel de chimie 1996 pour la découverte des fullerènes; chimistes du MagLab ; et des scientifiques de l'Université Rovira i Virgili en Espagne et de l'Université de Nagoya au Japon.

Les métallofullerènes sont fabriqués par un procédé étonnamment simple :Mélanger du graphite et un métal, puis le vaporiser en suie, qui ressemble à la substance noire d'une flamme de bougie. De cette suie, des métallofullerènes sont mystérieusement trouvés.

"En vaporisant du carbone et du métal dans les bonnes conditions, ces matières fascinantes s'assemblent spontanément, " a déclaré Dunk. " Mais si la manière principale dont ils se forment n'est même pas connue, il est difficile de comprendre comment mieux produire ces molécules passionnantes. »

Alors que les cages vides telles que Buckminsterfullerene, C60, sont disponibles en quantité de tonnes aujourd'hui, les métallofullerènes souffrent de quantités limitées, entravant ainsi la recherche qui explore pleinement le matériau.

"Nous avons vu pour la première fois des preuves de métallofullerènes quelques jours seulement après la découverte de Buckminsterfullerene en 1985, mais nous ne savions même pas comment ils se formaient. C'était juste incroyable qu'ils l'aient même fait, " dit Kroto. " C'était il y a près de trois décennies. Malgré des avancées majeures au cours des 10 dernières années, le processus de formation s'est avéré très difficile car il se déroule en un clin d'œil."

Pour découvrir le puzzle de longue date, les chercheurs ont utilisé un laser pour faire exploser du graphite dopé avec du métal, et les produits complexes formés ont été analysés par le spectromètre de masse à résonance cyclotron ionique à transformée de Fourier de 9,4 tesla du laboratoire. La puissante technique d'analyse a permis à l'équipe d'étudier méticuleusement la formation de métallofullerène avec pas moins de 90 éléments différents, presque tous les éléments disponibles du tableau périodique.

Les résultats sans précédent ont permis de reconstituer le mécanisme de formation, en s'appuyant sur les récents travaux pionniers sur les cages vides du même groupe.

Précédemment, il a été prédit que des feuilles plates de carbone devraient être éjectées du graphite et se fermer pour former des métallofullerènes géants, qui pourraient alors hypothétiquement "rétrécir" dans des cages de taille moyenne qui sont les plus couramment utilisées en biomédecine et en technologie.

Cependant, les chercheurs ont observé un résultat opposé dans leurs expériences. Ils ont découvert qu'un atome de métal nucléait initialement du carbone pour former de très petits métallofullerènes, qui se développent ensuite dans les plus grandes tailles de cages bien connues.

Le type de métal encapsulé a semblé affecter de manière significative la vitesse à laquelle les petits métallofullerènes se sont développés dans les cages de taille moyenne les plus utiles, ce qui pourrait aider à expliquer le faible rendement en métallofullerènes par l'utilisation de méthodes de synthèse typiques.

La clarification du fonctionnement de la construction moléculaire de ces cages en carbone encapsulées dans un métal devrait permettre d'ouvrir de nouvelles directions en nanotechnologie.

« Nous espérons que ces résultats seront utiles pour concevoir de nouvelles stratégies de production afin de réaliser pleinement les applications des métallofullérènes et d'explorer davantage leurs propriétés étonnantes, qui profiterait certainement à la société, " a déclaré Dunk.