Att erhålla strukturellt enhetliga nanokolväten för att korrekt relatera struktur och funktion, helst som enstaka molekyler, är en stor utmaning inom nanokolvetenskapens område. Konstruktionen av strukturellt enhetliga nanokol är därför avgörande för utvecklingen av funktionella material inom nanoteknik, elektronik, optik och biomedicinska tillämpningar. Ett viktigt verktyg för att uppnå detta mål är molekylär nanokolvetenskap, som är en nedifrån och upp-strategi för att skapa nanokolväten med hjälp av syntetisk organisk kemi. Men de molekylära nanokolväten som har syntetiserats hittills har enkla strukturer, som en ring, skål eller bälte. För att förverkliga outforskade och teoretiskt förutspådda nanokolväten är det nödvändigt att utveckla nya metoder för att syntetisera molekylära nanokolväten med mer komplexa strukturer.

Nu har ett team ledd av Kenichiro Itami (professor, Nagoya University), och Yasutomo Segawa (docent, Institutet för molekylär vetenskap) och Yuh Hijikata, (speciellt utsedd docent, ICReDD) syntetiserat ett bälteformat molekylärt nanokol med en vriden Möbius bandtopologi (dvs ett Möbius kolnanobelt) och publicerade deras resultat i Nature Synthesis .

"Möbius kolnanobälte var en drömmolekyl i forskarvärlden efter att vi rapporterade den första kemiska syntesen av ett kolnanobälte - ett ultrakortt kolnanorör - 2017. Precis som bälten vi använder varje dag föreställde vi oss vad som skulle hända med vår "molekylärt bälte" när det dras åt med en vridning. Det är en annan fantastiskt vacker molekyl, säger Kenichiro Itami, ledare för forskargruppen.

Ett sådant vridet Möbius kolnanobälte borde uppvisa helt andra egenskaper och molekylära rörelser jämfört med de med en normal bältestopologi. Men att skapa denna twist är lättare sagt än gjort. "Vi visste från vår tidigare syntes av kolnanobälten att töjningsenergin är det största hindret i syntesen. Dessutom gör den extra vridningen i bältesstrukturen töjningsenergin för den slutliga målmolekylen ännu högre. Nyckeln till framgången i faktisk syntes var vår molekylära design och detaljerade undersökning av reaktionsförhållandena, säger Yasutomo Segawa, en medledare för projektet.

Den rationella syntetiska vägen bestämdes genom att använda den teoretiska analysen av den enorma stammen som härrör från både bältesformen och den vridna molekylära strukturen hos Möbius kolnanobelt. Möbius kolnanobälte syntetiserades i 14 kemiska reaktionssteg inklusive en nyutvecklad funktionaliseringsreaktion, Z-selektiv Wittig-reaktionssekvens och töjningsinducerande nickelmedierad homokopplingsreaktion. Spektroskopisk analys och molekylär dynamiksimulering avslöjar att vridningsdelen av Möbius-bandet rör sig snabbt runt Möbius kolnanobeltmolekylen i lösning. Den topologiska kiraliteten som härrörde från Möbius-strukturen bekräftades experimentellt med hjälp av kiral separation och cirkulär dikroismspektroskopi.

När man ser tillbaka i historien har nya former av kol och nanokol konsekvent öppnat dörrar till ny vetenskap och teknik och har lett till upptäckten av extraordinära (och ofta oförutsägbara) egenskaper, funktioner och tillämpningar. Detta arbete är en banbrytande prestation som banar väg för utvecklingen av nanokolmaterial med komplexa topologiska strukturer och födelsen av innovativ materialvetenskap med hjälp av Möbius-topologi. + Utforska vidare

Syntes av ett kolnanobälte med potentiella tillämpningar inom nanoteknik