Forskere udvikler den tredje og sidste specialfremstillede nanorørsynteseteknik

Den nuværende metode til fremstilling af kulstof nanorør - i det væsentlige sammenrullede plader af grafen - er ikke i stand til at tillade fuldstændig kontrol over deres diameter, længde og type. Dette problem er for nylig blevet løst for to af de tre forskellige typer nanorør, men den tredje type, kendt som 'zigzag' nanorør, var forblevet uden for rækkevidde. Forskere fra Japans National Institutes of Natural Sciences (NINS) har nu fundet ud af, hvordan man syntetiserer zigzag-sorten.

Deres metode er beskrevet i journalen Naturkemi , offentliggjort den 25. januar.

Takket være kulstofs unikke evne til at kombinere med andre atomer for at danne molekyler, når det kombineres med sig selv, det kan gøre det på mange strukturelt forskellige måder (såsom diamanter og grafit) med forskellige egenskaber. I de seneste årtier har former som grafen - et lag af et atom tykt kulstof dannet af et sekskantet bikagelignende gitter - er blevet fremstillet. En anden af ​​disse forskellige former, eller 'allotroper, ', der kan fremstilles er en hul cylinder af grafen kendt som et nanorør.

Når sekskanterne af kulstof i nanorøret samles i dette honeycomb gitter, de danner enten en lænestol, zigzag eller chiral konfiguration. Navnet 'zigzag' bruges til den konfiguration, hvor 'banen' for hver molekylær binding mellem carbonatomer er rettet først mod venstre med 60 grader, derefter 60 grader til højre, derefter venstre 60 grader, så højre 60 grader igen:et zigzag-mønster. Navnet 'lænestol' beskriver en sti, der bevæger sig to gange til venstre, så to gange til højre, før gentagelse. Denne vej ligner angiveligt lidt en lænestol, deraf navnet. En tredje type, chiral, sidder mellem disse to former, sammen med sit spejlbillede.

Hvis man var i stand til at tage en kniv og skære gennem disse rør to gange vandret mod længdeaksen, man kunne producere et 'bælte' af nanorør, sammensat af 12 carbon sekskantede ringe. Sådan et bælte kaldes et 'nanobælte'.

Bestræbelser på at producere disse nanobånd har været genstand for megen videnskabelig undersøgelse. Dette er på grund af begrænsningerne ved konventionel fremstilling af nanorør, som tager det, der kaldes en 'top-down' form. Top-down fremstilling involverer pulverisering af en bulkmasse af kulstof til et pulver, hvorefter nanorørene tilfældigt former sig til en eller flere af de tre konfigurationstyper.

"Problemet her er, at du ikke kan kontrollere, hvilken konfigurationstype der dannes, eller diameteren, eller endda længden, " sagde Yasutomo Segawa, fra Institut for Molekylær Videnskab ved NINS og tilsvarende forfatter til papiret. "Men hvis du kan bygge et nanorør nedefra og op, fra "frøet" af et nanobælte, så kontrollerer du alle disse tre aspekter."

Tidligere forskning i 2019 havde været i stand til at producere lænestole og chirale nanobånd, men ikke den tredje type - zigzag.

Og nu for første gang, forskerne var i stand til at danne et zigzag nanobælte. Nøglen til nanobelt-syntesestrategien var brodannelsen af ​​de sekskantede ringe med et oxygenatom (tilsætning af en oxanorbornadienenhed). De var derefter i stand til at bruge røntgenkrystallografi til at bekræfte, at denne struktur, som var blevet forudsagt ved teoretiske beregninger, var faktisk ved at blive dannet i den virkelige verden.

Med denne tredje nanobæltesyntese, alle tre typer nanorør - lænestol, chiral, og zigzag - er i princippet nu tilgængelige. Dette er et stort skridt i retning af bottom-up syntese af kulstof nanorør lavet på bestilling.

Det næste skridt er at tage dette proof of concept igennem til egentlig strukturselektiv bottom-up syntese af kulstof nanorør, ved at bruge syntesen af ​​kulstof nanorør ved at bruge deres nanobånd som frø.