Новый метод синтеза создает молекулярный наноуглерод в форме ремня с топологией скрученной ленты Мёбиуса, т.е. углеродный нанопояс Мёбиуса. Кредит: Иссей Такахаши

Получение структурно однородных наноуглеродов, чтобы правильно связать структуру и функцию, в идеале в виде отдельных молекул, является большой проблемой в области науки о наноуглеродах. Таким образом, создание структурно однородных наноуглеродов имеет решающее значение для разработки функциональных материалов в нанотехнологиях, электронике, оптике и биомедицинских приложениях. Важным инструментом для достижения этой цели является молекулярная наука о наноуглероде, которая представляет собой восходящий подход к созданию наноуглеродов с использованием синтетической органической химии. Однако молекулярные наноуглероды, синтезированные до сих пор, имеют простую структуру, такую ​​как кольцо, чаша или пояс. Для реализации неисследованных и теоретически предсказанных наноуглеродов необходима разработка новых методологий синтеза молекулярных наноуглеродов с более сложной структурой.

Теперь группа под руководством Кенитиро Итами (профессор Университета Нагоя), Ясутомо Сегава (доцент Института молекулярных наук) и Ю Хидзиката (специально назначенный доцент, ICReDD) синтезировала лентообразный молекулярный наноуглерод со скрученной структурой, топологией ленты Мёбиуса (то есть углеродный нанопояс Мёбиуса), и опубликовали свои результаты в Nature Synthesis.

«Углеродный нанопояс Мёбиуса был молекулой мечты в научном сообществе после того, как в 2017 году мы сообщили о первом химическом синтезе углеродного нанопояса — сверхкороткой углеродной нанотрубки. «молекулярный пояс», когда его затягивают с поворотом. Это еще одна удивительно красивая молекула», — говорит Кеничиро Итами, руководитель исследовательской группы.

Такой скрученный углеродный нанопояс Мёбиуса должен проявлять совсем другие свойства и молекулярные движения по сравнению с таковыми с нормальной топологией пояса. Однако создать этот поворот легче сказать, чем сделать. «Из нашего предыдущего синтеза углеродных нанопоясов мы знали, что энергия деформации является самым большим препятствием в синтезе. Более того, дополнительное скручивание в структуре ремня делает энергию деформации конечной целевой молекулы еще выше. Ключ к успеху в фактическим синтезом стал наш молекулярный дизайн и детальное изучение условий реакции», — говорит Ясутомо Сегава, один из руководителей проекта.

Рациональный синтетический маршрут был определен с использованием теоретического анализа огромной деформации, полученной как из-за формы ремня, так и из-за скрученной молекулярной структуры углеродного нанопояса Мёбиуса. Углеродный нанопояс Мёбиуса был синтезирован в ходе 14 стадий химической реакции, включая недавно разработанную реакцию функционализации, последовательность Z-селективной реакции Виттига и реакцию гомосочетания, опосредованную никелем, вызывающую напряжение. Спектроскопический анализ и моделирование молекулярной динамики показывают, что поворотный фрагмент ленты Мёбиуса быстро перемещается вокруг молекулы углеродного нанопояса Мёбиуса в растворе. Топологическая хиральность, возникающая из структуры Мёбиуса, была подтверждена экспериментально с использованием кирального разделения и спектроскопии кругового дихроизма.

Оглядываясь назад в прошлое, можно сказать, что новые формы углерода и наноуглеродов постоянно открывали двери для новой науки и технологий и приводили к открытию необычных (и часто непредсказуемых) свойств, функций и применений. Настоящая работа является новаторским достижением, которое прокладывает путь к разработке наноуглеродных материалов со сложной топологической структурой и рождению инновационного материаловедения с использованием топологии Мёбиуса.