En hurtig og effektiv metode til grafen nanobåndsyntese

Nanografener tiltrækker bred interesse fra mange forskere som en stærk kandidat til den næste generation af kulstofmaterialer på grund af deres unikke elektriske egenskaber. Forskere ved Nagoya Universitet har nu udviklet en hurtig måde at danne nanografener på på en kontrolleret måde. Denne enkle og kraftfulde metode til nanografensyntese kunne hjælpe med at generere en række nye optoelektroniske materialer, såsom organiske elektroluminescerende displays og solceller.

En gruppe kemikere fra JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project og Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM) ved Nagoya University, og deres kolleger har udviklet en enkel og kraftfuld metode til at syntetisere nanografener. Denne nye tilgang, for nylig beskrevet i journalen Videnskab , forventes at føre til betydelige fremskridt inden for organisk syntese, materialevidenskab og katalytisk kemi.

Nanografener, endimensionelle nanometer brede strimler af grafen, er molekyler sammensat af benzenenheder. Nanografener tiltrækker interesse som en stærk kandidat til næste generations materialer, herunder optoelektroniske materialer, på grund af deres unikke elektriske egenskaber. Disse egenskaber af nanografener afhænger hovedsageligt af deres bredde, længde- og kantstrukturer. Dermed, effektive metoder til at få adgang til strukturelt kontrollerede nanografener er yderst ønskeligt.

Den ideelle syntese af nanografener ville være en 'LEGO'-lignende samling af benzenenheder til at definere det nøjagtige antal og form af molekylet. Imidlertid, denne direkte tilgang er i øjeblikket ikke mulig. Holdet udviklede en alternativ metode, der er enkel og kontrollerer nanografenstrukturen, som den dannes i tre vigtige trin.

Først, simple benzenderivater samles lineært, gennem en krydskoblingsreaktion. Derefter, disse benzenkæder er forbundet med hinanden af ​​en palladiumkatalysator, der fører til et molekyle med tre benzenringe bundet sammen i en flad, trekantet form. Denne proces gentages hele vejen op i kæden, lynlås effektivt ringene sammen.

Innovationen, som holdet udviklede, var en ny måde at opnå det midterste trin, der danner den tre-ringede trekantlignende enhed, der danner kernen for yderligere reaktioner for at generere nanografen-molekylet. En klassisk teknik til at forbinde benzenenheder bruger arylhalogenider som reaktionsreagenser. Arylhalogenider er aromatiske forbindelser, hvor et eller flere hydrogenatomer bundet til en aromatisk ring er erstattet af halogenatomer såsom fluor (F), klor (Cl), brom (Br), eller jod (I). Dette gør det muligt for benzen at forbinde på et enkelt punkt gennem en proces kaldet dimerisering, som blev opdaget af Fritz Ullmann og Jean Bielecki i 1901. Ullmann-reaktionen genererer ikke nanografener, når man bruger forbindelsen phenylen som udgangsmateriale.

Holdet opdagede, at brugen af ​​en palladiumkatalysator muliggjorde forbindelser mellem benzenenheder på to punkter, giver den trekantede struktur af tre benzenringe. En triphenylendel dannes i midten af ​​hver gruppe af ringe.

"Denne opdagelse var ret tilfældig, " siger udpeget lektor Kei Murakami, en kemiker ved Nagoya University og en af ​​lederne af denne undersøgelse. "Vi tror, ​​at denne reaktion er nøglen til denne nye tilgang til nanografensyntese."

Holdet brugte derefter en proces kaldet Scholl-reaktionen til at gentage denne proces og med succes syntetisere et nanografenmolekyle. Reaktionen forløber på samme måde som benzenringe, der lynes op, hvor triphenylendelen fungerer som kerne.

"En af de sværeste dele af denne forskning var at skaffe videnskabeligt bevis for at bevise strukturerne af triphenylenderivatet og nanografenmolekyler, " siger Yoshito Koga, en kandidatstuderende, der hovedsageligt udførte forsøgene. "Da ingen i vores gruppe nogensinde har håndteret triphenylener og nanografener før, Jeg udførte undersøgelsen gennem en 'trial and error' måde. Jeg var ekstremt begejstret, da jeg første gang så massespektrometrisignalet fra det ønskede molekyle for at afsløre massen af ​​molekylet gennem MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization), hvilket tydede på, at vi faktisk havde haft held med at lave nanografen på en kontrolleret måde."

Holdet havde allerede haft held med at syntetisere forskellige triphenylenderivater, såsom molekyler inklusive 10 benzenringe, naphthalen (et sammensmeltet par benzenringe), nitrogen atomer, og svovlatomer. Disse hidtil usete triphenylenderivater kunne potentielt bruges i solceller.

"Tilgangen til at skabe funktionelle molekyler fra simple benzenenheder vil være anvendelig til syntesen af ​​ikke kun nanografen, men også til forskellige andre nanocarbonmaterialer, " siger Murakami.

"Nanografener er forpligtet til at være nyttige som fremtidige materialer, " siger professor Kenichiro Itami, direktør for JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project. "Vi håber, at vores opdagelse vil føre til accelerationen af ​​anvendt forskning og fremme området for nanografenvidenskab."