Den nuvarande metoden för tillverkning av kolnanorör - i huvudsak upprullade ark av grafen - kan inte tillåta fullständig kontroll över deras diameter, längd och typ. Detta problem har nyligen lösts för två av de tre olika typerna av nanorör, men den tredje typen, känd som "sicksack" nanorör, hade varit utom räckhåll. Forskare med Japans National Institutes of Natural Sciences (NINS) har nu kommit på hur man kan syntetisera sicksacksorten.

Deras metod beskrivs i tidskriften Naturkemi , publicerad den 25 januari.

Tack vare kolets unika förmåga att kombinera med andra atomer för att bilda molekyler, när den förenas med sig själv, det kan göra det på många strukturellt olika sätt (som diamanter och grafit) med olika egenskaper. Under de senaste decennierna, former som grafen – ett lager av en atom tjockt kol bildat av ett hexagonalt bikakeliknande galler – har framställts. En annan av dessa olika former, eller 'allotroper, ' som kan tillverkas är en ihålig cylinder av grafen känd som ett nanorör.

När hexagonerna av kol i nanoröret möts i detta bikakenät, de bildar antingen en fåtölj, sicksack eller kiral konfiguration. Namnet "sicksack" används för konfigurationen där "banan" för varje molekylär bindning mellan kolatomer är riktad först åt vänster med 60 grader, sedan åt höger med 60 grader, lämnade sedan 60 grader, sedan höger 60 grader igen:ett sicksackmönster. Namnet "fåtölj" beskriver en väg som rör sig två gånger åt vänster, sedan två gånger rätt, innan du upprepar. Den här vägen ser förmodligen ut som en fåtölj, därav namnet. En tredje typ, kiral, sitter mellan dessa två former, tillsammans med dess spegelbild.

Om man kunde ta en kniv och skära igenom dessa rör två gånger horisontellt mot längdaxeln, man skulle kunna producera ett "bälte" av nanorör, består av 12 hexagonala kolringar. Ett sådant bälte kallas 'nanobälte'.

Arbetet med att producera dessa nanobälten har varit föremål för mycket vetenskaplig undersökning. Detta beror på begränsningarna för konventionell tillverkning av nanorör, som tar vad som kallas "top-down"-form. Top-down tillverkning innebär pulverisering av en bulkmassa av kol till ett pulver, varefter nanorören slumpmässigt formar sig till en eller flera av de tre konfigurationstyperna.

"Problemet här är att du inte kan styra vilken konfigurationstyp som bildas, eller diametern, eller till och med längden, " sa Yasutomo Segawa, av Institutet för molekylär vetenskap vid NINS och motsvarande författare för uppsatsen. "Men om du kan bygga ett nanorör nerifrån och upp, från "fröet" av ett nanobälte, då kontrollerar du alla dessa tre aspekter."

Tidigare forskning under 2019 hade kunnat producera fåtölj och kirala nanobälten, men inte den tredje typen — sicksacken.

Och nu för första gången, forskarna kunde bilda ett nanobälte i sicksack. Nyckeln till nanobältessyntesstrategin var överbryggningen av de hexagonala ringarna med en syreatom (tillsats av en oxanorbornadienenhet). De kunde sedan använda röntgenkristallografi för att bekräfta att denna struktur, som hade förutspåtts genom teoretiska beräkningar, skapades verkligen i den verkliga världen.

Med denna tredje nanobältessyntes, alla tre typerna av nanorör – fåtölj, kiral, och sicksack—är i princip nu tillgängliga. Detta är ett bra steg mot syntesen av kolnanorör nerifrån och upp på beställning.

Nästa steg är att ta detta proof of concept till verklig strukturselektiv bottom-up-syntes av kolnanorör, genom att använda syntesen av kolnanorör med deras nanobälten som frön.