科学家合成“梦想分子”莫比乌斯碳纳米带

2022年05月29日 10:03 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

获得结构均匀的纳米碳--最好是单分子--是纳米碳科学领域的一个巨大挑战,从而能适当地将结构和功能联系起来。因此,结构均匀的纳米碳的合成对于开发纳米技术、电子学、光学和生物医学应用中的功能材料至关重要。

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实现这一目标的一个重要工具是分子纳米碳科学,它是一种自下而上的方法,利用合成有机化学创造纳米碳。然而之前合成的分子纳米碳都是一些简单的结构,如环状、碗状或带状的结构。为了实现未开发的和理论上预测的纳米碳,有必要开发新的方法来合成具有更复杂结构的分子纳米碳。

现在,由Kenichiro Itami(名古屋大学教授)和Yasutomo Segawa(分子科学研究所副教授)及Yuh Hijikata(ICReDD特别任命的副教授)领导的研究小组已经合成了一种带状的分子纳米碳,其具有扭曲的莫比乌斯带拓扑结构,即莫比乌斯碳纳米带。

“莫比乌斯碳纳米带是科学界的一个梦想分子,此前我们在2017年报道了第一个化学合成的碳纳米带--超短碳纳米管。就像我们每天使用的皮带一样,我们想象着当我们的‘分子皮带’被扭紧后会发生什么,”该研究小组的负责人Kenichiro Itami说道。这样一个扭曲的莫比乌斯碳纳米带跟那些正常的带状拓扑结构相比,应该表现出相当不同的特性和分子运动。然而创造这种扭曲说起来容易,做起来难。“我们从以前的碳纳米带的合成中知道,应变能量是合成中最大的障碍。此外,带状结构内的额外扭曲使最终目标分子的应变能更高,”该项目共同负责人Yasutomo Segawa说道,“实际合成成功的关键是我们的分子设计和对反应条件的详细检查。”

合理的合成路线是通过对莫比乌斯碳纳米带的带状结构和扭曲的分子结构所产生的巨大应变进行理论分析而确定的。莫比乌斯碳纳米带是通过14个化学反应步骤合成的,齐总包括新开发的功能化反应、Z-选择的Wittig反应序列和应变诱导的镍介导的同质耦合反应。光谱分析和分子动力学模拟显示,莫比乌斯带的扭曲分子在溶液中围绕莫比乌斯碳纳米带分子快速移动。源自莫比乌斯结构的拓扑手性则在实验中用手性分离和圆二色光谱法得到了证实。

回顾历史,新形式的碳和纳米碳一直为新的科学和技术打开大门并导致发现了非同寻常的特性、功能和应用。本项工作是一项开创性的成就,其为具有复杂拓扑结构的纳米碳材料的发展和利用莫比乌斯拓扑学的创新材料科学的诞生铺平了道路。

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