NUS-kemister har utvecklat en strategi för atomärt exakt syntes av helt konjugerade sicksackkantade kolnanobälten (CNB). Den erhållna molekylen, känd som oktabenso[12]cyklacen, är erkänt som ett av de första helt karakteriserade syntetiska segmenten av sicksackkantade (12, 0) kolnanorör. Sådana molekylära strukturer har varit svårfångade mål för syntetiska kemister under de senaste 35 åren.

Enkelväggiga kolnanorör (SWCNT) är en speciell klass av kolmaterial som består av ark av grafen i en ihålig rörstruktur med väggar av en atomtjocklek. De anses vara ett av de mest lovande materialen för utvecklingen av nästa generations nanoelektroniska enheter. Dock, nuvarande produktionsmetoder som ljusbågsurladdning och laserförångning, är oförmögna att uppnå atomärt exakt syntes av SWCNT, vilket påverkar deras elektriska och optiska egenskaper. Som en alternativ metod, forskning har fokuserat på CNBs som är bältesformade molekyler som enbart består av bensenringar sammansmälta på ett cirkulärt sätt. Dessa CNB-molekyler skulle potentiellt kunna fungera som ett frö för tillväxten av strukturellt väldefinierade kolnanorör. På senare år har det har skett ett återupplivande av intresset för organisk syntes av CNBs nedifrån och upp. CNB:er med olika konfigurationer som fåtöljer och kirala kanter har syntetiserats och helt karakteriserats, respektive. Dock, syntesen av en unik konfiguration som involverar fragmenten av sicksackkantade (n, 0) CNTs förblir svårfångade (se figur (a)).

En forskargrupp ledd av professor Chi Chunyan från Institutionen för kemi, National University of Singapore, har utvecklat en strategi som kombinerar både termodynamisk stabilisering och kinetiskt skydd för att uppnå atomärt exakt syntes av en sicksackkantad (12, 0) SWCNT-segment. Syntesen åstadkoms genom att använda Diels-Alder-tillsats två gånger för att först konstruera en stamfri prekursor, följt av reduktiv deoxygenering för att erhålla en helt konjugerad, ansträngd CNB. Ett koncept känt som benso-annulering användes för att öka resonansstabiliseringsenergin så att termodynamisk stabilitet hos den slutliga föreningen kan uppnås. Under tiden, fastsättning av substituenter på sicksackkanterna skulle kinetiskt förhindra cykloadditionsreaktioner som ursprungligen kan förstöra den konjugerade ryggradsstrukturen.

Forskargruppen använde flera avancerade karaktäriseringsverktyg för att undersöka strukturen hos oktabenso[12]cyklacenmolekylen som de hade erhållit. Genom att använda enkristallröntgendiffraktion, de fann att molekylen antar en mycket symmetrisk cylinderliknande geometri (figurerna (c) och (d)), liknande det för ett kolnanorör. En visualisering av kristallstruktur, prospekterings- och analysmjukvara (Mercury) användes för att mäta den inre diametern av detta nanobälte som är cirka 9,2 Ångström. Forskarna utförde också beräkningsanalys av molekylstrukturen och deras resultat tyder på att fenylgrupperna vid sicksackkanterna spelar en viktig roll för att ge stabilitet genom att förhindra ytterligare hydreringsreaktioner under bildandet av nanobältets struktur.

Prof Chi sa, "Vår syntetiska strategi och stabiliseringsstrategi som utvecklats i detta arbete kan bana väg för byggandet av nya typer av kolnanostrukturer och kolnanorör för olika applikationer inom elektronik och fotonik."