Forskere skaber længe søgte zigzag-kantede carbon nanobånd

NUS-kemikere har udviklet en strategi for den atomisk præcise syntese af fuldt konjugerede zigzag-kantede carbon nanobånd (CNB'er). Det opnåede molekyle, kendt som octabenzo[12]cyclacen, er anerkendt som et af de første fuldt karakteriserede syntetiske segmenter af zigzag-kantede (12, 0) kulstof nanorør. Sådanne molekylære strukturer har været uhåndgribelige mål for syntetiske kemikere i de sidste 35 år.

Single-walled carbon nano tubes (SWCNT'er) er en speciel klasse af carbonmaterialer, der omfatter plader af grafen i en hul rørstruktur med vægge på et atoms tykkelse. De betragtes som et af de mest lovende materialer til udvikling af næste generations nanoelektroniske enheder. Imidlertid, nuværende produktionsmetoder såsom lysbueudladning og laserfordampning, er ude af stand til at opnå atomisk præcis syntese af SWCNT'er, hvilket påvirker deres elektriske og optiske egenskaber. Som en alternativ metode, forskning har fokuseret på CNB'er, som er bælteformede molekyler, der udelukkende består af benzenringe smeltet sammen på en cirkulær måde. Disse CNB-molekyler kunne potentielt tjene som et frø til væksten af ​​strukturelt veldefinerede kulstofnanorør. I de seneste år, der har været en genoplivning af interessen for bottom-up organisk syntese af CNB'er. CNB'er med forskellige konfigurationer såsom arm-chaired og chirale kanter er blevet syntetiseret og fuldt karakteriseret, henholdsvis. Imidlertid, syntesen af ​​en unik konfiguration, der involverer fragmenterne af zigzag-kantede (n, 0) CNT'er forbliver uhåndgribelige (se figur (a)).

Et forskerhold ledet af professor Chi Chunyan fra Institut for Kemi, National University of Singapore, har udviklet en strategi, der kombinerer både termodynamisk stabilisering og kinetisk beskyttelse for at opnå atomisk præcis syntese af en zigzag-kantet (12, 0) SWCNT-segment. Syntesen blev udført ved at bruge Diels-Alder-addition to gange for først at konstruere en stammefri precursor, efterfulgt af reduktiv deoxygenering for at opnå en fuldt konjugeret, anstrengt CNB. Et koncept kendt som benzoannulation blev anvendt for at øge resonansstabiliseringsenergien, så termodynamisk stabilitet af den endelige forbindelse kan opnås. I mellemtiden binding af substituenter på zigzag-kanterne ville kinetisk forhindre cycloadditionsreaktioner, som oprindeligt kan ødelægge den konjugerede rygradsstruktur.

Forskerholdet brugte adskillige avancerede karakteriseringsværktøjer til at undersøge strukturen af ​​octabenzo[12]cyclacenmolekylet, som de havde opnået. Ved hjælp af enkeltkrystal røntgendiffraktion, de fandt ud af, at molekylet antager en meget symmetrisk cylinderlignende geometri (figur (c) og (d)), svarende til et kulstof nanorør. En krystalstruktur visualisering, udforsknings- og analysesoftware (Mercury) blev brugt til at måle den indvendige diameter af dette nanobånd, som er omkring 9,2 Ångstrøm. Forskerne udførte også beregningsmæssig belastningsanalyse på den molekylære struktur, og deres resultater tyder på, at phenylgrupperne ved zigzag-kanterne spiller en vigtig rolle i at give stabilitet ved at forhindre yderligere hydrogeneringsreaktioner under dannelsen af ​​nanobåndstrukturen.

Prof Chi sagde, "Vores syntetiske tilgang og stabiliseringsstrategi udviklet i dette arbejde kan bane vejen for opbygningen af ​​nye typer kulstofnanostrukturer og kulstofnanorør til forskellige anvendelser inden for elektronik og fotonik."