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Buckyballs avec une surprise
Une startup basée en Virginie appelée Luna nanoWorks est sur le point de commercialiser une nouvelle version de buckyballs – des molécules de carbone en forme de ballon de football – qui, selon la société, pourraient améliorer l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et conduire à des cellules solaires à haute efficacité. Chaque buckyball est composé de 80 atomes de carbone avec des amas de métal-nitrure piégés à l'intérieur, créant un nanomatériau doté de nouvelles propriétés électroniques, optiques et magnétiques.
Luna nanoWorks commercialise un nouveau type de buckyball dans lequel 80 atomes de carbone enferment trois atomes de terres rares dans un complexe de nitrure métallique. La molécule est prometteuse pour améliorer les images IRM et fabriquer des cellules solaires à haute efficacité, selon la société. (Crédit : Robert Lenk, président, Luna nanoWorks)
Le nouveau matériau a d'abord été fabriqué par Harry Dorn et ses collègues de Virginia Tech, à Blacksburg, en Virginie, par accident. Les scientifiques créent généralement des buckyballs – les sphères creuses composées de 60 atomes de carbone sont le type le plus courant – en amorçant un arc électrique entre deux électrodes en graphite. Lorsque les chercheurs de Virginia Tech fabriquaient ces fullerènes à l'aide d'électrodes infusées de catalyseur métallique, de l'air s'est infiltré dans la chambre à arc électrique. Le résultat a été un grand nombre de cages de buckyball à 80 carbones, chacune contenant une molécule de nitrure de métal avec trois atomes de métal piégés à l'intérieur.
Les chercheurs ont déjà enfermé des molécules métalliques dans des buckyballs, mais ce sont les premières buckyballs renfermant des molécules de nitrure de métal hautement instables. De plus, le buckyball à 80 carbones lui-même était inhabituel : personne n'en avait jamais fabriqué auparavant, qu'il soit creux ou rempli. Même si les molécules de nitrure de métal et le buckyball à 80 carbones n'existent pas longtemps, ils se stabilisent mutuellement dans le nouvel arrangement. Luna nanoWorks, basée à Danville, en Virginie, peut fabriquer les fullerènes avec diverses combinaisons de métaux des terres rares, tels que le scandium, l'yttrium et le lanthane.
Le buckyball a une charge nette négative, tandis que le cluster métallique a une charge nette positive. Cette répartition de charge de la molécule de fullerène métallique lui confère des propriétés intéressantes, que les chercheurs tentent encore de comprendre. C'est un matériau très inhabituel, pas votre composé ordinaire, dit Croix de James , professeur de chimie à l'université de Yale. Il pourrait facilement y avoir diverses applications pratiques, la plus prometteuse étant l'amélioration de l'IRM, dit-il.
Luna nanoWorks, qui a autorisé la technologie de Virginia Tech, dit que les matériaux pourraient être utilisés comme agent de contraste plus efficace en IRM, qui est utilisé pour imager les tissus mous du corps tels que le cerveau et la moelle épinière. Les médecins injectent actuellement du gadolinium dans le corps d'un patient juste avant un examen IRM. Le métal améliore la résolution des scans et augmente le contraste de l'image. Mais le gadolinium est toxique, il est donc enveloppé d'un composé organique. Cela n'élimine pas complètement le risque de toxicité, dit Cross, et cela limite la quantité de gadolinium que les médecins peuvent injecter dans le corps du patient.
En revanche, le buckyball à 80 carbones est une cage beaucoup plus solide pour piéger le nitrure de gadolinium pour la prochaine génération d'agents de contraste où vous souhaitez les cibler sur un organe ou une maladie particulière, explique Robert Lenk, président de Luna nanoWorks. En effet, Dorn et ses collègues de Virginia Tech ont montré que les fullerènes à nitrure métallique présentent un contraste 40 fois meilleur que les agents de contraste actuellement sur le marché, bien que le mécanisme exact derrière cela ne soit pas encore compris. Avant que le matériau puisse être utilisé pour l'IRM, cependant, il devrait subir une batterie de tests de sécurité et de toxicité et obtenir l'approbation de la Food and Drug Administration. L'entreprise prévoit de le faire une fois que le matériel aura été entièrement développé.
Le piégeage d'autres métaux dans le buckyball pourrait conduire à différentes applications. Luna nanoWorks prévoit d'utiliser ces nanomatériaux pour fabriquer de nouveaux types de cellules solaires hautement efficaces, bien que Lenk ait refusé d'expliquer comment ils fonctionneraient. Lorsque des photons frappent des matériaux photovoltaïques, un électron chargé négativement et un trou chargé positivement sont créés qui se recombinent souvent et ne contribuent pas au courant électrique. L'un des domaines de recherche actifs en ce moment est de trouver des moyens plus efficaces de séparer la paire électron-trou avant qu'elle ne puisse se recombiner, et donc d'augmenter l'efficacité des panneaux solaires, explique Lenk.
Luna nanoWorks vend déjà des quantités de quelques milligrammes de matériaux aux chercheurs, et être capable de fabriquer des quantités aussi importantes distingue l'entreprise des autres dans le domaine de la recherche, explique Cross. Alors que des groupes allemands et japonais ont effectué des travaux importants sur les fullerènes à base de nitrure de métal, aucun n'avait le moyen de produire des quantités adéquates de ce matériau. Ils obtiendraient quelques microgrammes de ces choses, dit Cross. Il ne suffisait clairement pas de faire une quelconque chimie sérieuse ou de trouver des applications. La méthode de Dorn, en revanche, crée des grammes de matériau.
Il y a toutes sortes de choses que vous pouvez faire avec ce matériau en mettant diverses molécules métalliques à l'intérieur, dit Cross. Cela pourrait bien être un prototype pour une série beaucoup plus étendue de composés qui peuvent avoir leur propre ensemble de propriétés intéressantes.