Nanografener tilldrar sig stort intresse från många forskare som en kraftfull kandidat för nästa generation av kolmaterial på grund av deras unika elektriska egenskaper. Forskare vid Nagoya University har nu utvecklat ett snabbt sätt att bilda nanografener på ett kontrollerat sätt. Denna enkla och kraftfulla metod för nanografensyntes kan hjälpa till att generera en rad nya optoelektroniska material, såsom organiska elektroluminiscerande displayer och solceller.

En grupp kemister från JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project och Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM) vid Nagoya University, och deras kollegor har utvecklat en enkel och kraftfull metod för att syntetisera nanografener. Detta nya tillvägagångssätt, nyligen beskrivits i tidskriften Vetenskap , förväntas leda till betydande framsteg inom organisk syntes, materialvetenskap och katalytisk kemi.

Nanografener, endimensionella nanometer breda remsor av grafen, är molekyler som består av bensenenheter. Nanografener väcker intresse som en kraftfull kandidat för nästa generations material, inklusive optoelektroniska material, på grund av deras unika elektriska egenskaper. Dessa egenskaper hos nanografen beror huvudsakligen på deras bredd, längd och kantstrukturer. Således, effektiva metoder för att komma åt strukturellt kontrollerade nanografener är mycket önskvärt.

Den ideala syntesen av nanografener skulle vara en "LEGO"-liknande sammansättning av bensenenheter för att definiera det exakta antalet och formen på molekylen. Dock, detta direkta tillvägagångssätt är för närvarande inte möjligt. Teamet utvecklade en alternativ metod som är enkel och kontrollerar nanografenstrukturen när den bildas i tre viktiga steg.

Först, enkla bensenderivat sätts samman linjärt, genom en korskopplingsreaktion. Sedan, dessa bensenkedjor är förbundna med varandra av en palladiumkatalysator som leder till en molekyl med tre bensenringar bundna tillsammans i en platt, triangelliknande form. Denna process upprepas hela vägen upp i kedjan, drar ihop ringarna effektivt.

Innovationen teamet utvecklade var ett nytt sätt att uppnå mittsteget som bildar den tre-rings triangelliknande enheten som utgör kärnan för ytterligare reaktioner för att generera nanografenmolekylen. En klassisk teknik för att koppla ihop bensenenheter använder arylhalogenider som reaktionsreagens. Arylhalogenider är aromatiska föreningar där en eller flera väteatomer bundna till en aromatisk ring ersätts med halogenatomer såsom fluor (F), klor (Cl), brom (Br), eller jod (I). Detta gör att bensen kan ansluta vid en enda punkt genom en process som kallas dimerisering, som upptäcktes av Fritz Ullmann och Jean Bielecki 1901. Ullmann-reaktionen genererar inte nanografener när man använder föreningen fenylen som utgångsmaterial.

Teamet upptäckte att användningen av en palladiumkatalysator möjliggjorde anslutningar mellan bensenenheter på två punkter, tillhandahåller den triangelliknande strukturen av tre bensenringar. En trifenylendel bildas i mitten av varje grupp av ringar.

"Denna upptäckt var helt oavsiktlig, " säger utsedd docent Kei Murakami, en kemist vid Nagoya University och en av ledarna för denna studie. "Vi tror att denna reaktion är nyckeln till denna nya metod för nanografensyntes."

Teamet använde sedan en process som kallas Scholl-reaktionen för att upprepa denna process och framgångsrikt syntetisera en nanografenmolekyl. Reaktionen fortskrider på liknande sätt som bensenringar som dras ihop, med trifenylendelen som fungerar som kärnan.

"En av de svåraste delarna av denna forskning var att få vetenskapliga bevis för att bevisa strukturerna för trifenylenderivat och nanografenmolekyler, " säger Yoshito Koga, en doktorand som främst genomförde experimenten. "Eftersom ingen i vår grupp någonsin har hanterat trifenylener och nanografer tidigare, Jag genomförde undersökningen på ett "trial and error" sätt. Jag var extremt upphetsad när jag först såg masspektrometrisignalen för den önskade molekylen för att avslöja massan av molekylen genom MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization), som indikerade att vi faktiskt hade lyckats göra nanografen på ett kontrollerat sätt. "

Teamet hade redan lyckats syntetisera olika trifenylenderivat, såsom molekyler inklusive 10 bensenringar, naftalen (ett sammansmält par bensenringar), kväveatomer, och svavelatomer. Dessa oöverträffade trifenylenderivat skulle potentiellt kunna användas i solceller.

"Metoden för att skapa funktionella molekyler från enkla bensenenheter kommer att vara tillämplig på syntesen av inte bara nanografen, men också till olika andra nanokolmaterial, säger Murakami.

"Nanografer kommer säkert att vara användbara som framtida material, " säger professor Kenichiro Itami, chef för JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project. "Vi hoppas att vår upptäckt kommer att leda till accelerationen av tillämpad forskning och främja nanografenvetenskapen."