Kemister har försökt syntetisera nanobälten i kol i mer än 60 år, men ingen har lyckats förrän nu. Ett team vid Nagoya University rapporterade den första organiska syntesen av ett kolnanobälte i Vetenskap . Kolnanobälten förväntas fungera som en användbar mall för att bygga kolnanorör och öppna ett nytt fält inom nanokolvetenskap.

Det nya nanobältet, mäter 0,83 nanometer (nm) i diameter, utvecklades av forskare vid Nagoya Universitys JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project, och Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM). Forskare runt om i världen har försökt syntetisera kolnanobälten sedan 1950 -talet och professor Kenichiro Itamis grupp har arbetat med dess syntes i 12 år.

"Ingen visste om dess organiska syntes ens var möjlig eller inte, säger Segawa, en av ledarna för denna studie som hade varit involverad i dess syntes i 7 och ett halvt år. "Dock, Jag var inställd på syntesen av denna vackra molekyl."

Kolnanobälten är bältesformade molekyler som består av smälta bensenringar, som är aromatiska ringar som består av sex kolatomer. Kolnanobälten är ett segment av kolnanorör, som har olika tillämpningar inom elektronik och fotonik på grund av sina unika fysiska egenskaper.

Nuvarande syntetiska metoder producerar kolnanorör med inkonsekventa diametrar och sidoväggsstrukturer, som ändrar deras elektriska och optiska egenskaper. Detta gör det extremt svårt att isolera och rena ett enda kolnanorör som har en specifik diameter, längd och sidoväggsstruktur. Därför, att kunna kontrollera syntesen av strukturellt enhetliga kolnanorör exakt kommer att bidra till att utveckla nya och mycket funktionella material.

Kolnanobälten har identifierats som ett sätt att bygga strukturellt enhetliga kolnanorör. Dock, Att syntetisera nanobälten i kol är utmanande på grund av deras extremt höga belastningsenergier. Detta beror på att bensen är stabil när den är platt, men blir instabila när de förvrängs av sammansmältning av ringarna.

För att övervinna detta problem, Guillaume Povie, en postdoktor i JST-ERATO-projektet, Yasutomo Segawa, gruppledare för JST-ERATO-projektet, och Kenichiro Itami, chefen för JST-ERATO-projektet och centrumdirektören för ITbM, har lyckats med den första kemiska syntesen av ett kolnanobälte från en lättillgänglig prekursor, p-xylen (en bensenmolekyl med två metylgrupper i 1, 4- (para-) position) i 11 steg.

Nyckeln till denna framgång är deras syntetiska strategi baserad på den bältesformade formationen från en makrocykelprekursor med relativt låg ringtöjning. I sin strategi, teamet förberedde en makrocykelprekursor från p-xylen i 10 steg, och bildade den bandformade aromatiska föreningen genom en kopplingsreaktion (fig. 3). Nickel var avgörande för att förmedla kopplingsprocessen.

"Den svåraste delen av denna forskning var denna nyckelkopplingsreaktion av makrocykelprekursorn, "säger Povie." Reaktionen gick inte bra dag efter dag och det tog mig tre till fyra månader innan jag testade olika tillstånd. Jag har alltid trott där det finns en vilja, det finns ett sätt."

2015, Itami lanserade ett nytt initiativ i sitt ERATO-projekt för att fokusera särskilt på syntesen av kolnanobältet. På den så kallade "bältesfestivalen, "olika nya syntetiska vägar för kolnanobältet föreslogs och mer än 10 forskare var involverade i projektet. Den 28 september 2016, exakt ett år efter festivalens start, kolnanobältets struktur avslöjades slutligen genom röntgenkristallografi framför Itami-gruppens medlemmar. Alla höll andan medan de stirrade på skärmen under röntgenanalys, och jublade när den cylindriska bilden av kolnanobältet dök upp på skärmen. Itami, Segawa och Povie uttryckte sin glädje med en high five.

"Det var ett av de mest spännande ögonblicken i mitt liv och jag kommer aldrig att glömma det, " säger Itami. "Eftersom detta är resultatet av en decennielång studie, Jag uppskattar mycket alla tidigare och nuvarande medlemmar i min grupp för deras stöd och uppmuntran. Tack vare deras skicklighet, seghet, förnuft och stark vilja hos alla medlemmar, vi uppnådde detta framgångsrika resultat. "

Det syntetiserade nanobältet i kol är en rödfärgad fast substans och uppvisar djupröd fluorescens. Analys med röntgenkristallografi visade att kolnanobältet har en cylindrisk form på samma sätt som kolnanorör (Fig. 4). Forskarna mätte också dess ljusabsorption och emission, elektrisk ledningsförmåga och strukturell styvhet genom ultraviolett-synlig absorptionsfluorescens, och Raman -spektroskopiska studier, samt teoretiska beräkningar.

"Faktiskt, syntesdelen avslutades i augusti förra året men jag kunde inte vila förrän jag kunde bekräfta röntgenstrukturen hos kolnanobältet, " säger Povie. "Jag blev verkligen glad när jag såg röntgenstrukturen."

Kolnanobältet kommer att släppas på marknaden i framtiden. "Vi ser fram emot att upptäcka nya egenskaper och funktioner hos kolnanobältet med forskare från hela världen, säger Segawa och Itami.