Röntgenstraling 'belicht' yttriumatoom in koolstofkooi

Japanse onderzoekers hebben met behulp van röntgenstraling een fullereen 'doorgelicht' waarin zich een yttriumatoom bevindt. Fullerenen zijn bolvormige moleculen, opgebouwd uit 'ringen' van vijf of zes koolstofatomen die als de vijf- en zesvlakken van een voetbal in elkaar passen. Het zijn als het ware holle moleculen, ofwel kooien, waarin andere atomen kunnen worden opgesloten. Het kleinste (stabiele) fullereen bestaat uit 32 koolstofatomen en het grootste uit enkele honderden. Sinds enkele jaren is er grote belangstelling voor metallo-fullerenen: koolstofkooien met een metaalatoom.

De meest bestudeerde metallo-fullerenen bestaan uit een kooi van 82 koolstofatomen. Japanse onderzoekers hebben deze kooi nu bestudeerd met behulp van de techniek van de röntgendiffractie. Hierbij wordt het buigingspatroon vastgelegd van de röntgenstraling die gedurende een zekere tijd (in dit geval een uur) door een monster van de stof wordt gezonden. Uit dit buigingspatroon kan de structuur van de moleculen van de betreffende stof worden afgeleid. De onderzoekers bestraalden ter vergelijking ook kooien van 82 koolstofatomen waarin zich géén metaalatoom bevond.

Met behulp van de buigingswaarnemingen kan de verdeling van de elektronen in de koolstofmoleculen in kaart worden gebracht. Deze blijkt bij de twee soorten moleculen heel verschillend. Bij de moleculen die yttrium bevatten bereikt de elektronendichtheid langs de wand van de kooi op bepaalde plaatsen opmerkelijk hoge waarden, terwijl de verdeling bij de metaalloze fullerenen vrij uniform is. Dit wijst er volgens de onderzoekers op dat de rotatie van de 'gevulde' kooi vrijwel geheel plaatsvindt rond één as, terwijl de metaalloze kooien rond allerlei assen kunnen roteren (Nature 377, p. 46).

Op het punt van grootste dichtheid bevinden zich volgens de analyses 38 elektronen. Dit betekent vrijwel zeker dat daar het yttriumatoom zit, want dat heeft het atoomnummer 39. Het atoom bevindt zich 0,31 nanometer buiten het centrum van de kooi, die een straal heeft van 0,41 nanometer. Uit het onderzoek volgt ook dat de yttrium-bevattende moleculen in de kristalstructuur van het materiaal een bepaalde voorkeursrichting hebben, wat op een sterke onderlinge wisselwerking wijst. Dit gegeven biedt wellicht perspectieven voor het maken van materialen met nieuwe eigenschappen, aldus de onderzoekers.

    • George Beekman