Nanografenen trekken brede belangstelling van veel onderzoekers als een krachtige kandidaat voor de volgende generatie koolstofmaterialen vanwege hun unieke elektrische eigenschappen. Wetenschappers van de Universiteit van Nagoya hebben nu een snelle manier ontwikkeld om op gecontroleerde wijze nanografenen te vormen. Deze eenvoudige en krachtige methode voor de synthese van nanografeen kan helpen bij het genereren van een reeks nieuwe opto-elektronische materialen, zoals organische elektroluminescente displays en zonnecellen.

Een groep chemici 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 een eenvoudige en krachtige methode ontwikkeld om nanografenen te synthetiseren. Deze nieuwe aanpak, onlangs beschreven in het tijdschrift Wetenschap , zal naar verwachting leiden tot aanzienlijke vooruitgang in de organische synthese, materiaalkunde en katalytische chemie.

nanografenen, eendimensionale nanometer-brede stroken grafeen, zijn moleculen die zijn samengesteld uit benzeeneenheden. Nanografenen trekken belangstelling als een krachtige kandidaat voor materialen van de volgende generatie, inclusief opto-elektronische materialen, vanwege hun unieke elektrische eigenschappen. Deze eigenschappen van nanografenen hangen voornamelijk af van hun breedte, lengte- en randstructuren. Dus, efficiënte methoden om toegang te krijgen tot structureel gecontroleerde nanografenen is zeer wenselijk.

De ideale synthese van nanografenen zou een 'LEGO'-achtige assemblage van benzeeneenheden zijn om het exacte aantal en de vorm van het molecuul te bepalen. Echter, deze directe benadering is momenteel niet mogelijk. Het team ontwikkelde een alternatieve methode die eenvoudig is en de structuur van nanografeen regelt zoals deze zich vormt in drie belangrijke stappen.

Eerst, eenvoudige benzeenderivaten worden lineair geassembleerd, via een kruiskoppelingsreactie. Vervolgens, deze benzeenketens zijn met elkaar verbonden door een palladiumkatalysator die leidt tot een molecuul met drie benzeenringen die samengebonden zijn in een platte, driehoekige vorm. Dit proces herhaalt zich helemaal in de keten, de ringen effectief aan elkaar ritsen.

De innovatie die het team ontwikkelde, was een nieuwe manier om de middelste stap te bereiken die de driehoekige eenheid met drie ringen vormt die de kern vormt voor verdere reacties om het nanograafeenmolecuul te genereren. Een klassieke techniek om benzeeneenheden te verbinden, maakt gebruik van arylhalogeniden als reactiereagentia. Arylhalogeniden zijn aromatische verbindingen waarin een of meer waterstofatomen gebonden aan een aromatische ring zijn vervangen door halogeenatomen zoals fluor (F), chloor (Cl), broom (Br), of jodium (I). Hierdoor kan benzeen zich op één punt verbinden via een proces dat dimerisatie wordt genoemd, die in 1901 werd ontdekt door Fritz Ullmann en Jean Bielecki. de Ullmann-reactie genereert geen nanografenen bij gebruik van de verbinding fenyleen als uitgangsmateriaal.

Het team ontdekte dat het gebruik van een palladiumkatalysator verbindingen tussen benzeeneenheden op twee punten mogelijk maakte, het verschaffen van de driehoekige structuur van drie benzeenringen. Een trifenyleengroep wordt gevormd in het midden van elke groep ringen.

"Deze ontdekking was heel toevallig, " zegt Aangewezen Universitair Hoofddocent Kei Murakami, een chemicus aan de Universiteit van Nagoya en een van de leiders van deze studie. "We denken dat deze reactie de sleutel is van deze nieuwe benadering voor de synthese van nanografeen."

Het team gebruikte vervolgens een proces genaamd de Scholl-reactie om dit proces te herhalen en met succes een nanograafeenmolecuul te synthetiseren. De reactie verloopt op dezelfde manier als benzeenringen die worden dichtgeritst, waarbij de trifenyleengroep als de kern fungeert.

"Een van de moeilijkste onderdelen van dit onderzoek was het verkrijgen van wetenschappelijk bewijs om de structuren van het trifenyleenderivaat en nanografeenmoleculen te bewijzen, " zegt Yoshito Koga, een afgestudeerde student die voornamelijk de experimenten uitvoerde. "Aangezien niemand in onze groep ooit eerder met trifenylenen en nanografenen heeft gewerkt, Ik deed het onderzoek op een 'trial and error'-manier. Ik was enorm opgewonden toen ik voor het eerst het massaspectrometriesignaal van het gewenste molecuul zag om de massa van het molecuul te onthullen via MALDI (Matrix Assisted Laser Desorptie/Ionisatie), wat aangaf dat we er inderdaad in waren geslaagd om op een gecontroleerde manier nanograafeen te maken."

Het team was er al in geslaagd om verschillende trifenyleenderivaten te synthetiseren, zoals moleculen waaronder 10 benzeenringen, naftaleen (een samengesmolten paar benzeenringen), stikstof atomen, en zwavelatomen. Deze ongekende trifenyleenderivaten zouden mogelijk in zonnecellen kunnen worden gebruikt.

"De benadering voor het maken van functionele moleculen uit eenvoudige benzeeneenheden zal van toepassing zijn op de synthese van niet alleen nanograafeen, maar ook aan verschillende andere nanokoolstofmaterialen, ' zegt Murakami.

"Nanografenen zullen ongetwijfeld nuttig zijn als toekomstige materialen, " zegt professor Kenichiro Itami, directeur van het JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project. "We hopen dat onze ontdekking zal leiden tot een versnelling van toegepast onderzoek en het gebied van nanografieënwetenschap zal bevorderen."