En grupp forskare vid Nagoya University, Japan, har utvecklat en ny metod för att snabbt och effektivt syntetisera nanografener, en typ av nanokol med stor potential som nästa generations material.

Nanografener är delarna av grafen, som är ett ark av kolatomer runt 3 nanometer tjockt med särskild potential för användning i halvledarutveckling, har elektronrörlighet flera hundra gånger bättre än nuvarande generationsmaterial. Grafen isolerades första gången 2004, en upptäckt som fick 2010 års Nobelpris i fysik, vilket gör det till ett mycket nytt material och för närvarande föremål för en hel del forskning.

Med magnetiska och elektriska egenskaper utöver grafenens, nanografener är lika intressanta för forskare inom nanokolforskningsområdet. Det största hindret, om än spännande, forskare står inför är det stora antalet potentiella nanografener. Antalet potentiellt möjliga nanografenstrukturer ökar med antalet bensenringar (6 atomer kol i en hexagonal formation) för att göra dem. Till exempel, även en relativt liten nanografen med 10 bensenringar kan ha upp till 16, 000 varianter. Eftersom varje nanografen har olika fysiska egenskaper, nyckeln till tillämpad nanografenforskning är att identifiera sambandet mellan strukturen och egenskaperna hos så många nanografener som möjligt.

Således, forskarnas uppgift är att skapa ett nanografenbibliotek, innehållande data om egenskaperna hos så många nanografener som möjligt. Dock, den nuvarande metoden för nanografensyntes, känd som en kopplingsreaktion, är en flerstegsprocess som producerar en enda nanografen. Således, att skapa ett 100-nanografenbibliotek, 100 separata kopplingsreaktioner skulle behöva utföras. Även detta skulle vara ett betydande åtagande, vilket gör konstruktionen av ett verkligt omfattande nanografenbibliotek praktiskt taget omöjligt.

För att lösa det här problemet, forskningsgruppen Nagoya University, ledd av professor Kenichiro Itami, har arbetat med APEX-reaktionen, en reaktion som använder polycykliska aromatiska kolväten som mallar för att syntetisera nanografener. Polycykliska aromatiska kolväten har tre områden av sin struktur - känd som K-regionen, M-region och bay-region - som kan förlängas i en APEX-reaktion, producera tre nanografener. Dessa nanografener kan sedan förlängas ytterligare i en andra reaktion, vilket innebär att ett stort antal nanografener kan syntetiseras från en enda polycyklisk aromatisk kolväte-mallmolekyl.

Med professor Itamis grupp som redan har utvecklat K-regionens APEX-reaktion, och en annan grupp forskare som har gjort det för bukten, de riktade sin uppmärksamhet mot M-regionen. De aktiverade M-regionen med hjälp av 1950 års Nobelprisbelönta Diels-Alders reaktion, och lyckades utföra en förlängningsreaktion på den aktiverade M-regionen, vilket gör att alla tre möjliga platser på de polycykliska aromatiska kolvätena kan syntetisera nanografener.

Forskarna kunde producera 13 nanografener med tre APEX-reaktioner, med de flesta av dessa tidigare osynliga strukturer, vilket bevisar både effektiviteten och användbarheten av denna nya metod.

Denna spännande nya forskning och dess potential att påskynda skapandet av nanografenbibliotek är ett steg mot utvecklingen av nästa generations material, som har potential att revolutionera halvledare och solenergi och förbättra liv över hela världen.