En Möbius-strimmel, der udelukkende er konstrueret af kulstofatomer

At opnå strukturelt ensartede nanocarboner for korrekt at relatere struktur og funktion, ideelt set som enkelte molekyler, er en stor udfordring inden for nanocarbonvidenskab. Konstruktionen af ​​strukturelt ensartede nanocarboner er således afgørende for udviklingen af ​​funktionelle materialer inden for nanoteknologi, elektronik, optik og biomedicinske applikationer. Et vigtigt værktøj til at nå dette mål er molekylær nanocarbon videnskab, som er en bottom-up tilgang til at skabe nanocarboner ved hjælp af syntetisk organisk kemi. Imidlertid har de molekylære nanocarboner, der er syntetiseret indtil videre, simple strukturer, såsom en ring, skål eller bælte. For at realisere uudforskede og teoretisk forudsagte nanocarboner er det nødvendigt at udvikle nye metoder til at syntetisere molekylære nanocarboner med mere komplekse strukturer.

Nu har et team ledet af Kenichiro Itami (professor, Nagoya University), og Yasutomo Segawa (lektor, Institut for Molekylær Videnskab) og Yuh Hijikata, (Specialt udnævnt lektor, ICReDD) syntetiseret et bælteformet molekylært nanocarbon med en snoet Möbius båndtopologi (dvs. et Möbius carbon nanobånd) og publicerede deres resultater i Nature Synthesis .

"Möbius carbon nanobåndet var et drømmemolekyle i det videnskabelige samfund, efter vi rapporterede den første kemiske syntese af et carbon nanobånd - et ultrakort carbon nanorør - i 2017. Ligesom bælter, vi bruger hver dag, forestillede vi os, hvad der ville ske med vores "molekylært bælte", når det strammes med et vrid. Det er endnu et fantastisk smukt molekyle," siger Kenichiro Itami, leder af forskergruppen.

Sådan et snoet Möbius carbon nanobælte skulle vise helt andre egenskaber og molekylære bevægelser sammenlignet med dem med en normal bæltetopologi. Men at skabe dette twist er lettere sagt end gjort. "Vi vidste fra vores tidligere syntese af kulstof-nanobånd, at belastningsenergien er den største hindring i syntesen. Desuden gør det ekstra drejning i bæltestrukturen belastningsenergien for det endelige målmolekyle endnu højere. Nøglen til succes i egentlig syntese var vores molekylære design og detaljerede undersøgelse af reaktionsbetingelserne," siger Yasutomo Segawa, en medleder af projektet.

Den rationelle syntetiske rute blev bestemt ved at bruge den teoretiske analyse af den enorme stamme afledt af både bælteformen og den snoede molekylære struktur af Möbius carbon nanobelt. Möbius carbon nanobeltet blev syntetiseret i 14 kemiske reaktionstrin, herunder en nyudviklet funktionaliseringsreaktion, Z-selektiv Wittig-reaktionssekvens og belastningsinducerende nikkel-medieret homokoblingsreaktion. Spektroskopisk analyse og molekylær dynamiksimulering afslører, at drejningsdelen af ​​Möbius-båndet bevæger sig hurtigt rundt om Möbius carbon nanobelt-molekylet i opløsning. Den topologiske chiralitet, der stammer fra Möbius-strukturen, blev bekræftet eksperimentelt ved brug af chiral separation og cirkulær dikroismespektroskopi.

Når vi ser tilbage i historien, har nye former for kulstof og nanocarboner konsekvent åbnet døre til ny videnskab og teknologi og har ført til opdagelsen af ​​ekstraordinære (og ofte uforudsigelige) egenskaber, funktioner og anvendelser. Dette arbejde er en banebrydende præstation, der baner vejen for udviklingen af ​​nanocarbonmaterialer med komplekse topologiske strukturer og fødslen af ​​innovativ materialevidenskab ved hjælp af Möbius-topologi. + Udforsk yderligere

Syntese af et kulstof nanobånd med potentielle anvendelser inden for nanoteknologi