Onderzoekers van de Universiteit van Nagoya in Japan hebben een chemische techniek waarmee tot nu toe vooral medicijnen werden gemaakt, voor het eerst toegepast op het bouwen van nanokoolstof. Door bindingen in het binnenste van platte koolstofmoleculen door te knippen en opnieuw te vormen, wisten ze nieuwe chirale nanokoolstofmoleculen te maken — structuren die, net als onze handen, in een linkshandige en een rechtshandige spiegelbeeldvorm bestaan. De resultaten verschenen in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.
- Voor het eerst is ‘skeletbewerking’ gebruikt om nanokoolstof te maken in plaats van medicijnen.
- De onderzoekers bouwden onder meer moleculen met ringen van 10 koolstofatomen en een dubbele helix.
- Eén molecuul behoudt zijn vorm zelfs bij 280 °C; een ander vangt en laat kooldioxide los.
“Als je het binnenste van een molecuul verandert, veroorzaakt dat aanzienlijke spanning, dus verlopen de meeste reacties juist rond het molecuul in plaats van erin”, zegt senior auteur Norihito Fukui, universitair hoofddocent aan de Graduate School of Engineering van de Universiteit van Nagoya.
“Na verloop van tijd leidde dat tot de aanname dat het binnenste niet aangepast kon worden”, vervolgt Fukui. “Maar met de juiste methode en het juiste beginmolecuul kunnen we het binnenste wél veranderen en moleculaire vormen en structuren maken die voorheen onmogelijk waren.”
Waarom nanokoolstof ertoe doet voor toekomstige materialen
Nanokoolstof bestaat uit koolstofstructuren op moleculaire schaal die gelden als bouwstenen voor materialen van de volgende generatie. Tot nu toe bouwden wetenschappers ze door kleine, platte koolstofmoleculen aan hun randen met elkaar te versmelten. Het binnenste van zo’n molecuul aanpassen werd als vrijwel onmogelijk beschouwd, omdat de inwendige bindingen vastzitten in platte, starre structuren die verandering tegenwerken.
De onderzoekers gebruikten daarvoor de zogenoemde skeletbewerking, een techniek waarmee chemici tot dusver vooral geneesmiddelen vervaardigden. Het is de eerste keer dat die aanpak op de synthese van nanokoolstof wordt toegepast. Als uitgangsmateriaal namen ze gangbare platte koolstofmoleculen, zoals kleine stukjes grafeen, waarvan ze de bindingen binnenin doorknipten en opnieuw vormden.
Van platte ringen naar spiralen die eerder onmaakbaar waren
De meeste nanokoolstof is opgebouwd uit platte structuren van zeszijdige ringen, alsof er kleine stukjes uit grafeen zijn geknipt. Koolstofatomen vormen die vormen van nature het liefst, vanwege de hoeken die hun bindingen maken. Chemici slaagden er recent in ook zeven- en achtzijdige ringen in te bouwen, maar tienzijdige ringen en niet-platte rangschikkingen bleven zeer lastig te maken.
Volgens het team loste de nieuwe aanpak twee hardnekkige problemen op. Ze bouwden een ring van tien koolstofatomen in grote chirale nanokoolstof — een combinatie die niet eerder was gelukt. Daarnaast toonden ze aan dat zowel de linkshandige als de rechtshandige vorm van complexe nanokoolstof gemaakt kan worden, een prestatie die bij moleculen van dit formaat pas tweemaal eerder was behaald.
Moleculen die licht in een spiraal uitzenden en CO2 vangen
De nieuwe moleculen vertonen opvallend gedrag. Ze gloeien allemaal met licht dat spiraalvormig voortbeweegt. Twee ervan kunnen meerdere elektrische ladingen vasthouden zonder uiteen te vallen. Eén molecuul behoudt zijn handvorm zelfs bij 280 °C (536 °F).
Een ander molecuul, de dubbele helix, ontstaat door één binding door te knippen en opnieuw te vormen. Het rangschikt zichzelf tot kristallen met spiraalvormige poriën die kooldioxide kunnen vangen en weer loslaten. Dit chirale poreuze materiaal is het eerste in zijn soort en is verwant aan de metaal-organische raamwerken (MOF’s) die in 2025 met de Nobelprijs voor de Scheikunde werden bekroond.
Dit soort eigenschappen is precies waar wetenschappers naar zoeken bij het ontwerpen van geavanceerde materialen voor gasopslag, elektronica met een extreem laag energieverbruik en versleuteling van de volgende generatie. Voor Nederlandstalige lezers betekent dit dat onderzoek als dit op termijn kan bijdragen aan technologieën die relevant zijn voor klimaatoplossingen en zuinigere apparatuur — al is er van concrete toepassingen nog geen sprake.
“We hopen dat deze aanpak andere onderzoekers zal inspireren om te onderzoeken wat er nog meer gebouwd kan worden door het binnenste van moleculen te bewerken”, zegt Fukui.
Denkt u dat dit soort chirale nanokoolstof ooit in alledaagse technologie belandt, of blijft het voorlopig laboratoriumwerk? Deel uw kijk hieronder.
