Organische nanobuisjes (ONT's) zijn buisvormige nanostructuren die zijn samengesteld uit organische moleculen die unieke eigenschappen hebben en verschillende toepassingen hebben gevonden, zoals elektrisch geleidende materialen en organische fotovoltaïsche energie. Een groep wetenschappers van de Universiteit van Nagoya heeft een eenvoudige en effectieve methode ontwikkeld voor de vorming van robuuste covalente ONT's uit eenvoudige moleculen. Deze methode zal naar verwachting nuttig zijn bij het genereren van een reeks op nanobuisjes gebaseerde materialen met gewenste eigenschappen.

Kaho Maeda, Dr. Hideto Ito, Professor Kenichiro Itami van het JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project en het Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM) van de Universiteit van Nagoya, en hun collega's hebben gerapporteerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society , over de ontwikkeling van een nieuwe en eenvoudige strategie, "helix-to-tube" om covalente organische nanobuisjes te synthetiseren.

Organische nanobuisjes (ONT's) zijn organische moleculen met buisvormige nanostructuren. Nanostructuren zijn structuren die variëren tussen 1 nm en 100 nm, en ONT's hebben een holte ter grootte van een nanometer. Er zijn verschillende toepassingen van ONT's gemeld, inclusief moleculaire herkenningsmaterialen, transmembraan ionenkanaal/sensoren, elektrisch geleidende materialen, en organische fotovoltaïsche energie. De meeste ONT's worden geconstrueerd door een zelfassemblageproces op basis van zwakke niet-covalente interacties zoals waterstofbinding, hydrofobe interacties en π-π interacties tussen aromatische ringen. Door deze relatief zwakke interacties, de meeste niet-covalente ONT's hebben een relatief fragiele structuur (Figuur 1).

Covalente ONT's, waarvan de buisvormige skeletten zijn verknoopt door covalente binding (een binding gemaakt door het delen van elektronen tussen atomen) zou kunnen worden gesynthetiseerd uit niet-covalente ONT's. Hoewel covalente ONT's een hogere stabiliteit en mechanische sterkte vertonen dan niet-covalente ONT's, de algemene synthetische strategie voor covalente ONT's moest nog worden vastgesteld (Figuur 2).

Een team onder leiding van Hideto Ito en Kenichiro Itami is erin geslaagd een eenvoudige en effectieve methode te ontwikkelen voor de synthese van robuuste covalente ONT's (buis) door een operationeel eenvoudige bestraling met licht van een gemakkelijk toegankelijk spiraalvormig polymeer (helix). Deze zogenaamde "helix-to-tube"-strategie is gebaseerd op de volgende stappen:1) polymerisatie van een klein molecuul (monomeer) om een ​​spiraalvormig polymeer te maken, gevolgd door, 2) door licht geïnduceerde verknoping op longitudinaal herhalende toonhoogtes over de hele helix om covalente nanobuisjes te vormen (Figuur 3).

Met hun strategie het team ontwierp en synthetiseerde op diacetyleen gebaseerde spiraalvormige polymeren (acetylenen zijn moleculen die drievoudige koolstof-koolstofbindingen bevatten), poly(m-fenyleendithynyleen)s (poly-PDE's), die chirale amide-zijketens heeft die een spiraalvormige vouwing kunnen induceren door middel van waterstofbindingsinteracties (Figuur 4).

De onderzoekers onthulden dat door licht geïnduceerde verknoping bij longitudinaal uitgelijnde 1, 3-butadiyne-eenheden (een groep moleculen die vier koolstoffen bevatten met drievoudige bindingen aan de eerste en derde koolstofatomen) zouden de gewenste covalente ONT kunnen genereren. "Dit is de eerste keer ter wereld om aan te tonen dat de fotochemische polymerisatiereactie van diynen toepasbaar is op de verknopingsreactie van een spiraalvormig polymeer, " zegt Maeda, een afgestudeerde student die voornamelijk de experimenten uitvoerde.

De "helix-to-tube" -methode zal naar verwachting in staat zijn om een ​​reeks op ONT gebaseerde materialen te genereren door eenvoudig de areen (aromatische ring) -eenheid in het monomeer te veranderen.

"Een van de moeilijkste onderdelen van dit onderzoek was het verkrijgen van wetenschappelijk bewijs over de structuren van poly-PDE's en covalente ONT's, " zegt Ito, een van de leiders van dit onderzoek. “We hadden weinig ervaring met de analyse van polymeren en macromoleculen zoals ONT’s. Gelukkig dankzij de steun van onze medewerkers in Nagoya University, die gespecialiseerd zijn in deze specifieke onderzoeksgebieden, we zijn er uiteindelijk in geslaagd om deze macromoleculen te karakteriseren met behulp van verschillende technieken, waaronder spectroscopie, Röntgendiffractie, en microscopie."

"Hoewel het ons ongeveer een jaar kostte om het covalente ONT te synthetiseren, het duurde nog anderhalf jaar om de structuur van de nanobuis te bepalen, ", zegt Maeda. "Ik was enorm opgewonden toen ik voor het eerst de transmissie-elektronenmicroscopie (TEM)-beelden zag, wat aangaf dat we de covalente ONT hadden gemaakt die we verwachtten, " gaat ze verder.

"Het beste deel van het onderzoek voor mij was de ontdekking dat de fotochemische verknoping voor het eerst op de helix had plaatsgevonden, ", zegt Maeda. "Bovendien, Het is bekend dat fotochemische verknoping gewoonlijk optreedt in de vaste fase, maar we konden aantonen dat de reactie ook in de oplossingsfase plaatsvindt. Omdat de reacties nooit eerder zijn uitgevoerd, Ik twijfelde eerst maar het was een heerlijk gevoel om er voor het eerst in de wereld in te slagen de reactie te laten werken. Ik kan met zekerheid zeggen dat dit een moment was waarop ik onderzoek echt interessant vond."

"We waren erg enthousiast om deze eenvoudige maar krachtige methode te ontwikkelen om de synthese van covalente ONT's te bereiken, " zegt Itami, de directeur van het JST-ERATO-project en de centrumdirecteur van ITbM. "De "helix-to-tube"-methode maakt ontwerp op moleculair niveau mogelijk en zal leiden tot de synthese van verschillende covalente ONT's met vaste diameters en buislengtes met gewenste functionaliteiten."

"We voorzien dat voortdurende vooruitgang in de "helix-to-tube"-methode kan leiden tot de ontwikkeling van verschillende op ONT gebaseerde materialen, waaronder elektrisch geleidende materialen en lichtgevende materialen, " zegt Ito. "We werken momenteel aan de 'helix-to-tube'-methodologie en we hopen covalente ONT's met interessante eigenschappen voor verschillende toepassingen te synthetiseren."