Nanometer-store rør lavet af simple benzenmolekyler

For første gang, forskere brugte benzen, et almindeligt kulbrinte, at skabe en ny slags molekylært nanorør, hvilket kan føre til nye nanocarbon-baserede halvleder applikationer.

Forskere fra Institut for Kemi har arbejdet hårdt i deres nyligt renoverede laboratorium på University of Tokyos Graduate School of Science. Det uberørte miljø og smarte layout giver dem rig mulighed for spændende eksperimenter. Professor Hiroyuki Isobe og kolleger deler en påskønnelse af "smukke" molekylære strukturer og skabte noget, der ikke kun er smukt, men også er det første for kemi.

Deres phenin nanorør (pNT) er kendt for sin behagelige symmetri og enkelhed, hvilket er en skarp kontrast til dets komplekse udviklingsmidler. Kemisk syntese af nanorør er notorisk vanskelig og udfordrende, og kontrol af de pågældende strukturer for at give unikke egenskaber og funktioner er endnu mere kompleks.

Carbon nanorør er berømte for deres fejlfri grafitstruktur, men de varierer meget i længde og diameter. Isobe og hans team ønskede en enkelt type nanorør, en ny form med kontrollerede defekter inden for dens nanometer-størrelse cylindriske struktur, der tillader yderligere molekyler at tilføje egenskaber og funktioner.

Forskernes nye synteseproces starter med benzen, en sekskantet ring med seks kulstofatomer. De brugte reaktioner til at kombinere seks af disse benzener for at lave en større hexagonal ring kaldet en cyclo-meta-phenylen (CMP). Platinatomer tillod fire CMP'er at danne en åben terning. Når platinet fjernes, terningen springer ud i en tyk cirkel, og denne er forsynet med bromolekyler i begge ender, muliggør rørformen.

Det lyder kompliceret, men forbløffende, denne komplekse proces binder succesfuldt benzenerne på den rigtige måde over 90 procent af tiden. Nøglen ligger også i molekylets symmetri, hvilket forenkler processen med at samle hele 40 benzener. Disse benzener, også kaldet pheniner, bruges som paneler til at danne den nanometerstore cylinder. Resultatet er en ny nanorørstruktur med tilsigtede periodiske defekter. Teoretiske undersøgelser viser, at disse defekter præger nanorøret med halvledertegn.

"En krystal af pNT er også interessant:pNT -molekylerne er justeret og pakket i et gitter rig på porer og hulrum, " Isobe forklarer. "Disse nanoporer kan indkapsle forskellige stoffer, som gennemsyrer pNT-krystallen med egenskaber, der er nyttige i elektroniske applikationer. Et molekyle, vi med succes indlejrede i pNT, var et stort kulstofmolekyle kaldet fulleren (C70)."

"Et hold ledet af Kroto/Curl/Smalley opdagede fullerener i 1985. Det siges, at Sir Harold Kroto blev forelsket i det smukke molekyle, " fortsætter Isobe. "Vi har det på samme måde med pNT. Vi var chokerede over at se den molekylære struktur fra krystallografisk analyse. En perfekt cylindrisk struktur med firdoblet symmetri stammer fra vores kemiske syntese. "

"Efter et par årtier siden opdagelsen, dette smukke molekyle, fulleren, har fundet forskellige hjælpeprogrammer og applikationer, " tilføjer Isobe. "Vi håber, at skønheden i vores molekyle også peger på unikke egenskaber og nyttige funktioner, der venter på at blive opdaget."

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Videnskab .