Chemici hebben al meer dan 60 jaar geprobeerd koolstofnanobanden te synthetiseren, maar tot nu toe is niemand erin geslaagd. Een team van de Universiteit van Nagoya rapporteerde de eerste organische synthese van een koolstofnanobelt in Wetenschap . Van koolstofnanobanden wordt verwacht dat ze dienen als een nuttig sjabloon voor het bouwen van koolstofnanobuizen en een nieuw gebied van nanokoolstofwetenschap openen.

De nieuwe nanobelt, met een diameter van 0,83 nanometer (nm), is ontwikkeld door onderzoekers van het JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project van de Nagoya University, en het Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM). Wetenschappers over de hele wereld hebben sinds de jaren vijftig geprobeerd koolstofnanobanden te synthetiseren en de groep van professor Kenichiro Itami heeft 12 jaar aan de synthese ervan gewerkt.

"Niemand wist of de organische synthese zelfs mogelijk was of niet, " zegt Segawa, een van de leiders van deze studie die 7 en een half jaar betrokken was geweest bij de synthese ervan. "Echter, Ik had mijn zinnen gezet op de synthese van dit prachtige molecuul."

Koolstof nanobanden zijn riemvormige moleculen die zijn samengesteld uit gefuseerde benzeenringen, die aromatische ringen zijn die uit zes koolstofatomen bestaan. Koolstof nanobanden zijn een segment van koolstof nanobuisjes, die vanwege hun unieke fysieke kenmerken verschillende toepassingen hebben in elektronica en fotonica.

Huidige synthetische methoden produceren koolstofnanobuizen met inconsistente diameters en zijwandstructuren, waardoor hun elektrische en optische eigenschappen veranderen. Dit maakt het extreem moeilijk om een ​​enkele koolstofnanobuis met een specifieke diameter te isoleren en te zuiveren. lengte en zijwandstructuur. Daarom, het nauwkeurig kunnen regelen van de synthese van structureel uniforme koolstofnanobuizen zal helpen bij het ontwikkelen van nieuwe en zeer functionele materialen.

Koolstofnanobanden zijn geïdentificeerd als een manier om structureel uniforme koolstofnanobuizen te bouwen. Echter, het synthetiseren van koolstof nanobanden is een uitdaging vanwege hun extreem hoge spanningsenergieën. Dit komt omdat benzeen stabiel is als het plat is, maar wordt onstabiel wanneer ze worden vervormd door fusie van de ringen.

Om dit probleem op te lossen, Guillaume Povie, een postdoctoraal onderzoeker van het JST-ERATO-project, Yasutomo Segawa, een groepsleider van het JST-ERATO-project, en Kenichiro Itami, de directeur van het JST-ERATO-project en de centrumdirecteur van ITbM, zijn erin geslaagd de eerste chemische synthese van een koolstofnanobelt uit een gemakkelijk verkrijgbare voorloper, p-xyleen (een benzeenmolecuul met twee methylgroepen in de 1, 4- (para-)positie) in 11 stappen.

De sleutel tot dit succes is hun synthetische strategie gebaseerd op de riemvormige vorming van een macrocyclische voorloper met een relatief lage ringspanning. In hun strategie het team bereidde in 10 stappen een macrocyclische voorloper van p-xyleen, en vormde de riemvormige aromatische verbinding door een koppelingsreactie (Fig. 3). Nikkel was essentieel om het koppelingsproces te bemiddelen.

"Het moeilijkste deel van dit onderzoek was deze belangrijke koppelingsreactie van de macrocyclische voorloper, " zegt Povie. "De reactie verliep niet dag na dag goed en het kostte me drie tot vier maanden om verschillende omstandigheden te testen. Ik heb altijd geloofd waar een wil is, er is een manier."

in 2015, Itami lanceerde een nieuw initiatief in zijn ERATO-project om zich met name te concentreren op de synthese van de koolstofnanobelt. Op het zogenaamde "gordelfestival", Er werden verschillende nieuwe synthetische routes voor de koolstofnanobelt voorgesteld en meer dan 10 onderzoekers waren bij het project betrokken. Op 28 september 2016, precies een jaar na de start van het festival, de koolstof nanobelt-structuur werd uiteindelijk onthuld door röntgenkristallografie voor de leden van de Itami-groep. Iedereen hield zijn adem in terwijl hij naar het scherm staarde tijdens de röntgenanalyse, en juichte toen het cilindrische vormbeeld van de koolstofnanobelt op het scherm verscheen. Itami, Segawa en Povie uitten hun vreugde met een high five.

"Het was een van de meest opwindende momenten in mijn leven en ik zal het nooit vergeten, ", zegt Itami. "Omdat dit het resultaat is van een tien jaar durende studie, Ik waardeer alle vroegere en huidige leden van mijn groep enorm voor hun steun en aanmoediging. Dankzij hun vakmanschap, taaiheid, zin en sterke wil van alle leden, we hebben dit succesvolle resultaat bereikt."

De gesynthetiseerde koolstof nanobelt is een roodgekleurde vaste stof en vertoont dieprode fluorescentie. Analyse door röntgenkristallografie onthulde dat de koolstofnanobelt een cilindrische vorm heeft op dezelfde manier als koolstofnanobuisjes (Fig. 4). De onderzoekers maten ook de lichtabsorptie en -emissie, elektrische geleidbaarheid en structurele stijfheid door ultraviolet-zichtbare absorptiefluorescentie, en Raman spectroscopische studies, evenals theoretische berekeningen.

"Werkelijk, het synthesegedeelte was afgelopen augustus klaar, maar ik kon niet rusten voordat ik de röntgenstructuur van de koolstofnanobelt kon bevestigen, " zegt Povie. "Ik was heel blij toen ik de röntgenstructuur zag."

De carbon nanobelt zal in de toekomst op de markt komen. "We kijken ernaar uit om nieuwe eigenschappen en functionaliteiten van de koolstofnanobelt te ontdekken met onderzoekers van over de hele wereld, " zeggen Segawa en Itami.