Atomy antimonu v novém materiálu tvoří prostorově pravidelný dvanáctistěn zdobený atomy zlata. K stabilitě struktury přispívá středový atom draslíku. Kredit: Yu-He Xu et al. , An all-metal fullerene: [K@Au12Sb20]5−. Science382,840-843(2023)

Nejen ti, co sledují novinky z vědy vědí, co jsou to fullereny. Anglická mutace Wikipedie fulleren definuje, jako „alotrop (tedy strukturní formu) uhlíku, jehož molekuly se skládají z atomů uhlíku spojených jednoduchými a dvojnými vazbami tak, aby tvořily uzavřenou nebo částečně uzavřenou síť z propojených pět- až sedm-atomových kruhů". Molekuly mohou mít tvar duté koule, elipsoidu, či otevřené nebo zavřené trubice. My laikové si však nejčastěji vzpomeneme na mediálně proslulou, fotbalovému míči podobnou 60atomovou uhlíkovou kouli přezdívanou buckyball. Oba názvy – jak oficiální fulleren, tak populární buckyball – jsou připomínkou amerického architekta Buckminstra Fullera, jenž proslul stavbami ve tvaru geodetické kopule. Tou nejznámější je obrovská průzračná koule Montreal Biosphere, která jako impozantní pavilon Spojených států dominovala výstavě Expo 67 v kanadském Montrealu.

Struktura kryptandu K(2.2.2-crypt)+ s vázaným atomem draslíku uprostřed. Kredit: M stone, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Uhlíkové „míčky“ však nemusí tvořit nevyhnutně 60 atomů. Ty nejmenší jich mají jenom dvacet a ty největší i 960 a laboratorně lze prý připravit i mnohem větší. Vědci se naučili s uhlíkovými fullereny doslova čarovat. Například do dutých uhlíkových koulí, trubiček či elipsoidů cíleně umisťují atomy jiných prvků. Získají tak materiál s vlastnostmi vhodnými pro použití v nanotechnologiích, například v oblasti elektroniky, elektrooptiky nebo medicíny. Půvabné, buckyballům podobné struktury se jim podařilo syntetizovat i z jiných materiálů, například selenidu molybdeničitého (MoSe₂) (zde) nebo sulfidu wolframičitého WS₂ (zde).

Vnitřní struktura nového materiálu krystalizujícího v trojklonné soustavě. Jednotlivé fullerenové kovové kuličky [K@Au12Sb20]5− jsou navzájem vázány přes kryptandy s atomem draslíku vázaným v centru. Kredit: Yu-He Xu et al. , An all-metal fullerene: [K@Au12Sb20]5−. Science382,840-843(2023)

Nicméně „fulleren“ tvořený jenom atomy kovů se podařilo objevit až nyní. A to ne v přírodě, ale v laboratoři Fakulty materiálových věd a inženýrství Nankai univerzity v severočínském Tchien-ťinu (Tiencinu). Dva tamní chemikové Zhong-Ming Sun a Yu-He Xu ve spolupráci s kolegy s dalších dvou čínských univerzit a Alvarem Muñoz-Castrem z Fakulty inženýrství, architektury a designu čilské Univerzity svatého Šebestiána (Universidad San Sebastián) nový materiál prozkoumali a metodiku i výsledky analýz publikovali v časopisu Science. Článek pětice autorů má vypovídající název: An all-metal fullerene: [K@Au12Sb20]⁵⁻ (zde).

Sloučenina, v jejíž struktuře jsou dodekaedrické „míčky“ složené z antimonu, zlata a draslíku. Vědci ji ze stejných východiskových surovin syntetizovali dvěma způsoby, které produkovaly různě velké trojklonné krystaly. Kredit: Yu-He Xu et al. , An all-metal fullerene: [K@Au12Sb20]5−. Science382,840-843(2023)

I když popularizační články se zmiňují o prvním „celokovovém fullerenu“, jak to často bývá, při pohledu zblízka je skutečnost o něco složitější. Ano, zkoumaná nová částice má tvar 20atomární uhlíkové koule, stereometricky přesněji dvanáctistěnu neboli dodekaedru. Jenže v každém z dvaceti rohů kovové verze sídlí atom antimonu, střed každé z dvanácti pětiúhelníkových povrchových ploch zdobí atom zlata a v centru této symetrické vzácné klece je uvězněn atom draslíku. Chemický zápis [K@Au₁₂Sb₂₀]^5- odhaluje, že tento dodekaedrový klastr 33 atomů tří různých kovů je anionem s nábojem 5-. Do krystalické struktury se tyto metalické míčky nemohou propojovat navzájem přímo, jenom přes nějaké kationové mezičlánky. Těmi jsou cyklické struktury z atomů uhlíku, kyslíku a dusíku s jedním atomem draslíku uprostřed. Chemici je označují K(2.2.2- crypt) a vědí, že jde o 2.2.2-kryptandy s atomem draslíku uprostřed. Nám laikům jistě postačí jejich schéma na obrázku.

V trojklonné soustavě krystalizující materiál, který čínští vědci po několikadenním procesu syntézy získali, se skládá z opakujících se strukturních jednotek. Jejich sumární vzorec – C₉₀H₁₈₀Au₁₂K₆N₁₀O₃₀Sb₂₀ – popisuje kolik atomu toho-kterého prvku každá jednotka má. Složitější funkční vzorec, [K(2.2.2-crypt)]₅[K@Au12Sb20], chemikům prozradí, že na každý kovový míček se váže pět kryptandů.

Jakou má nový materiál perspektivu praktického využití? Popravdě zatím asi žádnou kvůli jeho malé stabilitě. Ale z výzkumného hlediska jde o pionýrskou práci, jež poskytuje důležité nové poznatky o vazbách mezi atomy kovů. Podle slov Zhong-Ming Suna nikdo vytvoření takové kovové struktury nepředpokládal. Stěží lze odhadnout, k čemu dospěje další výzkum. Objeví se časem i jiné kovové částice s fullerenovou strukturou? Budou dostatečně stabilní pro případné aplikace v různých nanotechnologiích?

Připomeňme si některá důležitá fakta o fascinujícím objevu uhlíkových buckyballs. Budou se za několik let natáčet videa o významu obdobných, jenom celokovových struktur?

Literatura

Science (samotný článek sice není volně přístupný, doplňkové informace však poskytují přehled metodiky syntézy a prozkoumaných vlastnosti nového materiálu), Phys.org