Syntese af et kulstof nanobånd med potentielle anvendelser inden for nanoteknologi

Kemikere har forsøgt at syntetisere kulstof nanobånd i mere end 60 år, men ingen er lykkedes indtil nu. Et hold ved Nagoya University rapporterede om den første organiske syntese af et kulstof nanobånd i Videnskab . Carbon nanobånd forventes at tjene som en nyttig skabelon til at bygge kulstof nanorør og åbne et nyt felt inden for nanocarbon videnskab.

Det nye nanobælte, måler 0,83 nanometer (nm) i diameter, blev udviklet af forskere ved Nagoya University's JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project, og Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM). Forskere rundt om i verden har forsøgt at syntetisere kulstofnanobånd siden 1950'erne, og professor Kenichiro Itamis gruppe har arbejdet på syntesen i 12 år.

"Ingen vidste, om dens organiske syntese overhovedet var mulig eller ej, " siger Segawa, en af ​​lederne af denne undersøgelse, som havde været involveret i dens syntese i 7 et halvt år. "Imidlertid, Jeg havde mit sind indstillet på syntesen af ​​dette smukke molekyle."

Carbon nanobånd er bælteformede molekyler sammensat af smeltede benzenringe, som er aromatiske ringe bestående af seks kulstofatomer. Carbon nanobånd er et segment af kulstof nanorør, som har forskellige anvendelser inden for elektronik og fotonik på grund af deres unikke fysiske egenskaber.

Nuværende syntetiske metoder producerer kulstof nanorør med inkonsekvente diametre og sidevægsstrukturer, som ændrer deres elektriske og optiske egenskaber. Dette gør det ekstremt vanskeligt at isolere og rense et enkelt kulstof nanorør, der har en bestemt diameter, længde og sidevægsstruktur. Derfor, at være i stand til præcist at kontrollere syntesen af ​​strukturelt ensartede kulstofnanorør vil hjælpe med at udvikle nye og meget funktionelle materialer.

Carbon nanobånd er blevet identificeret som en måde at bygge strukturelt ensartede kulstof nanorør. Imidlertid, Syntetisering af carbon nanobånd er udfordrende på grund af deres ekstremt høje belastningsenergier. Dette skyldes, at benzen er stabilt, når det er fladt, men bliver ustabile, når de forvrænges ved sammensmeltning af ringene.

For at overvinde dette problem, Guillaume Povie, en postdoc forsker i JST-ERATO-projektet, Yasutomo Segawa, en gruppeleder af JST-ERATO-projektet, og Kenichiro Itami, direktøren for JST-ERATO-projektet og centerdirektøren for ITbM, har haft succes med den første kemiske syntese af et kulstofnanobånd fra en let tilgængelig forløber, p-xylen (et benzenmolekyle med to methylgrupper i 1, 4- (para-) position) i 11 trin.

Nøglen til denne succes er deres syntetiske strategi baseret på den bælteformede formation fra en makrocyklus precursor med relativt lav ringspænding. I deres strategi, holdet forberedte en makrocyklus precursor fra p-xylen i 10 trin, og dannede den bælteformede aromatiske forbindelse ved en koblingsreaktion (fig. 3). Nikkel var afgørende for at formidle koblingsprocessen.

"Den sværeste del af denne forskning var denne nøglekoblingsreaktion af makrocyklus-prækursoren, " siger Povie. "Reaktionen forløb ikke godt dag efter dag, og det tog mig tre til fire måneder at teste forskellige tilstande. Jeg har altid troet, hvor der er en vilje, der er en måde."

I 2015 Itami lancerede et nyt initiativ i sit ERATO-projekt for at fokusere særligt på syntesen af ​​kulstofnanobåndet. Ved den såkaldte "bæltefestival, " forskellige nye syntetiske ruter for kulstofnanobåndet blev foreslået, og mere end 10 forskere var involveret i projektet. Den 28. september 2016, præcis et år efter festivalens start, carbon nanobelt-strukturen blev endelig afsløret ved røntgenkrystallografi foran Itami-gruppens medlemmer. Alle holdt vejret, mens de stirrede på skærmen under røntgenanalyse, og jublede, da det cylindriske billede af kulstofnanobåndet dukkede op på skærmen. Itami, Segawa og Povie udtrykte deres glæde med en high five.

"Det var et af de mest spændende øjeblikke i mit liv, og jeg vil aldrig glemme det, " siger Itami. "Da dette er resultatet af en tiår lang undersøgelse, Jeg sætter stor pris på alle tidligere og nuværende medlemmer af min gruppe for deres støtte og opmuntring. Takket være deres dygtighed, sejhed, sans og stærk vilje hos alle medlemmer, vi opnåede dette succesfulde resultat."

Det syntetiserede carbon nanobånd er et rødfarvet fast stof og udviser dyb rød fluorescens. Analyse ved røntgenkrystallografi viste, at carbonnanobåndet har en cylindrisk form på samme måde som carbonnanorør (fig. 4). Forskerne målte også dens lysabsorption og emission, elektrisk ledningsevne og strukturel stivhed ved ultraviolet synlig absorptionsfluorescens, og Raman spektroskopiske undersøgelser, samt teoretiske beregninger.

"Rent faktisk, syntesedelen blev færdig i august sidste år, men jeg kunne ikke hvile, før jeg var i stand til at bekræfte røntgenstrukturen af ​​kulstofnanobåndet, " siger Povie. "Jeg blev virkelig glad, da jeg så røntgenstrukturen."

Kulstof nanobåndet vil blive frigivet til markedet i fremtiden. "Vi ser frem til at opdage nye egenskaber og funktionaliteter af kulstofnanobåndet med forskere fra hele verden, siger Segawa og Itami.