Впервые исследователи использовали бензол, обычный углеводород, для создания нового типа молекулярных нанотрубок, которые могут привести к новым применениям на основе наноуглерода на основе полупроводников.

На фото: В кристаллах молекулы pNT выровнены параллельно. Фото: (c) Хироюки Isobe 2018.

Исследователи из химического факультета усердно трудятся в недавно отремонтированной лаборатории Высшей школы науки Токийского университета. Нетронутая среда и продуманная планировка предоставляют им широкие возможности для захватывающих экспериментов. Профессор Хироюки Изобе и его коллеги высоко ценят «красивые» молекулярные структуры и создали нечто не только красивое, но и первое для химии.

Их фениновые нанотрубки (pNT) отличаются приятной симметрией и простотой, что резко контрастирует с их сложными средствами развития. Химический синтез нанотрубок общеизвестно сложен и сложен, а управление рассматриваемыми структурами для обеспечения уникальных свойств и функций является еще более сложным.

Углеродные нанотрубки известны своей бездефектной структурой графита, но они широко варьируются по длине и диаметру. Изобе и его команда хотели нанотрубок одного типа, новой формы с контролируемыми дефектами в цилиндрической структуре нанометрового размера, позволяющей дополнительным молекулам добавлять свойства и функции.

Одна молекула pNT инкапсулирует две молекулы C70

Одна молекула pNT инкапсулирует две молекулы C70 в своей внутренней части. Молекулы pNT выровнены в кристалле, что приводит к линейному массиву молекул C70. Фото: (c) Хироюки Isobe 2018.

Новый процесс синтеза исследователей начинается с бензола, гексагонального кольца из шести атомов углерода. Они использовали реакции, чтобы объединить шесть из этих бензолов, чтобы сделать большее гексагональное кольцо, называемое циклометафенилен (CMP). Атомы платины позволили четырем CMP образовать куб с открытым концом. Когда платина удалена, куб прыгает в толстый круг, и это снабжено соединяющими молекулами на обоих концах, позволяя форме трубы.

Звучит сложно, но удивительно, этот сложный процесс успешно связывает бензолы правильным образом в течение 90 процентов времени. Ключ также кроется в симметрии молекулы, которая упрощает процесс сборки до 40 бензолов. Эти бензолы, также называемые фенинами, используются в качестве панелей для формирования цилиндра нанометрового размера. Результатом является новая структура нанотрубок с преднамеренными периодическими дефектами. Теоретические исследования показывают, что эти дефекты придают нанотрубке полупроводниковый характер.

«Кристалл pNT также интересен: молекулы pNT выровнены и упакованы в решетку, богатую порами и пустотами», — объясняет Изобе. «Эти нанопоры могут инкапсулировать различные вещества, которые наполняют кристалл pNT свойствами, полезными в электронных приложениях. Одна молекула, которую мы успешно внедрили в pNT, была большая молекула углерода под названием фуллерен (C70) ».

Цилиндр pNT нанометрового размера, изготовленный из 40 бензолов

Цилиндр pNT нанометрового размера, изготовленный из 40 бензолов. Цилиндр в десятки тысяч раз тоньше человеческого волоса. Фото: (c) Хироюки Исобе, 2018 год.

«Команда, возглавляемая Крото / Керлом / Смолли, открыла фуллерены в 1985 году. Говорят, что сэр Гарольд Крото влюбился в красивую молекулу», — продолжает Исобе. «Мы одинаково относимся к pNT. Мы были шокированы, увидев молекулярную структуру из кристаллографического анализа. В результате нашего химического синтеза получается идеальная цилиндрическая структура с четырехкратной симметрией ».

«Спустя несколько десятилетий после открытия, эта красивая молекула, фуллерен, нашла различные применения и применения», — добавляет Изобе. «Мы надеемся, что красота нашей молекулы также указывает на уникальные свойства и полезные функции, ожидающие открытия».


По материалам сайта phys.org