Voor de eerste keer, onderzoekers gebruikten benzeen, een gewone koolwaterstof, om een ​​nieuw soort moleculaire nanobuis te maken, die zouden kunnen leiden tot nieuwe op nanokoolstof gebaseerde halfgeleidertoepassingen.

Onderzoekers van de afdeling Scheikunde hebben hard gewerkt in hun onlangs gerenoveerde laboratorium aan de Graduate School of Science van de University of Tokyo. De ongerepte omgeving en slimme indeling bieden volop mogelijkheden voor spannende experimenten. Professor Hiroyuki Isobe en collega's delen hun waardering voor "prachtige" moleculaire structuren en creëerden iets dat niet alleen mooi is, maar ook een primeur is voor de chemie.

Hun fenine nanobuis (pNT) staat bekend om zijn aangename symmetrie en eenvoud, wat in schril contrast staat met de complexe manier van ontwikkeling. Chemische synthese van nanobuisjes is notoir moeilijk en uitdagend, en het beheersen van de structuren in kwestie om unieke eigenschappen en functies te bieden, is zelfs nog complexer.

Koolstofnanobuisjes staan ​​bekend om hun defectvrije grafietstructuur, maar ze variëren sterk in lengte en diameter. Isobe en zijn team wilden een enkel type nanobuisje, een nieuwe vorm met gecontroleerde defecten binnen zijn cilindrische structuur ter grootte van een nanometer, waardoor extra moleculen eigenschappen en functies kunnen toevoegen.

Het nieuwe syntheseproces van de onderzoekers begint met benzeen, een zeshoekige ring van zes koolstofatomen. Ze gebruikten reacties om zes van deze benzenen te combineren om een ​​grotere hexagonale ring te maken, een cyclo-meta-fenyleen (CMP). Met platina-atomen konden vier CMP's een kubus met een open einde vormen. Wanneer het platina wordt verwijderd, de kubus springt in een dikke cirkel en deze is aan beide uiteinden voorzien van overbruggende moleculen, waardoor de buisvorm mogelijk is.

Het klinkt ingewikkeld, maar verbazingwekkend, dit complexe proces bindt de benzenen in 90 procent van de gevallen op de juiste manier. De sleutel ligt ook in de symmetrie van het molecuul, wat het proces van het assembleren van maar liefst 40 benzenen vereenvoudigt. Deze benzenen, ook wel feninen genoemd, worden gebruikt als panelen om de cilinder van nanometerformaat te vormen. Het resultaat is een nieuwe nanobuisstructuur met opzettelijke periodieke defecten. Theoretisch onderzoek toont aan dat deze defecten de nanobuis doordrenken met halfgeleiderkarakters.

"Een kristal van pNT is ook interessant:de pNT-moleculen zijn uitgelijnd en verpakt in een rooster dat rijk is aan poriën en holtes, Isobe legt uit. "Deze nanoporiën kunnen verschillende stoffen inkapselen die het pNT-kristal doordrenken met eigenschappen die nuttig zijn in elektronische toepassingen. Een molecuul dat we met succes in pNT hebben ingebed, was een groot koolstofmolecuul dat fullereen (C70) wordt genoemd."

"Een team onder leiding van Kroto/Curl/Smalley ontdekte fullerenen in 1985. Er wordt gezegd dat Sir Harold Kroto verliefd werd op het prachtige molecuul, " vervolgt Isobe. "Wij denken hetzelfde over pNT. We waren geschokt toen we de moleculaire structuur van kristallografische analyse zagen. Een perfecte cilindrische structuur met viervoudige symmetrie komt voort uit onze chemische synthese."

"Na een paar decennia sinds de ontdekking, dit prachtige molecuul, fullereen, heeft verschillende hulpprogramma's en toepassingen gevonden, " voegt Isobe toe. "We hopen dat de schoonheid van ons molecuul ook wijst op unieke eigenschappen en nuttige functies die wachten om ontdekt te worden."

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .