Los nanotubos orgánicos (ONT) son nanoestructuras tubulares compuestas por moléculas orgánicas que tienen propiedades únicas y han encontrado diversas aplicaciones. tales como materiales electroconductores y fotovoltaica orgánica. Un grupo de científicos de la Universidad de Nagoya ha desarrollado un método simple y eficaz para la formación de ONT covalentes robustas a partir de moléculas simples. Se espera que este método sea útil para generar una gama de materiales basados ​​en nanotubos con propiedades deseables.

Kaho Maeda, Dr. Hideto Ito, Profesor Kenichiro Itami del Proyecto JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon y el Instituto de Bio-Moléculas Transformativas (ITbM) de la Universidad de Nagoya, y sus colegas han informado en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense , en el desarrollo de una estrategia nueva y sencilla, "hélice a tubo" para sintetizar nanotubos orgánicos covalentes.

Los nanotubos orgánicos (ONT) son moléculas orgánicas con nanoestructuras tubulares. Las nanoestructuras son estructuras que oscilan entre 1 nm y 100 nm, y los ONT tienen una cavidad de tamaño nanométrico. Se han informado varias aplicaciones de las ONT, incluyendo materiales de reconocimiento molecular, canales de iones transmembrana / sensores, materiales electroconductores, y fotovoltaica orgánica. La mayoría de los ONT se construyen mediante un proceso de autoensamblaje basado en interacciones no covalentes débiles, como enlaces de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas e interacciones π-π entre anillos aromáticos. Debido a estas interacciones relativamente débiles, la mayoría de las ONT no covalentes poseen una estructura relativamente frágil (Figura 1).

ONT covalentes, cuyos esqueletos tubulares están reticulados por enlace covalente (un enlace formado por el intercambio de electrones entre átomos) podrían sintetizarse a partir de ONT no covalentes. Mientras que los ONT covalentes muestran una mayor estabilidad y resistencia mecánica que los ONT no covalentes, la estrategia sintética general para las ONT covalentes aún no se había establecido (Figura 2).

Un equipo dirigido por Hideto Ito y Kenichiro Itami ha logrado desarrollar un método simple y eficaz para la síntesis de ONT covalentes robustos (tubo) mediante una irradiación de luz operativamente simple de un polímero helicoidal fácilmente accesible (hélice). Esta estrategia llamada "hélice a tubo" se basa en los siguientes pasos:1) polimerización de una molécula pequeña (monómero) para hacer un polímero helicoidal seguido de, 2) entrecruzamiento inducido por la luz en pasos que se repiten longitudinalmente en toda la hélice para formar nanotubos covalentes (Figura 3).

Con su estrategia, el equipo diseñó y sintetizó polímeros helicoidales a base de diacetileno (los acetilenos son moléculas que contienen triples enlaces carbono-carbono), poli (m-fenileno dietinileno) s (poli-PDE), que tiene cadenas laterales de amidas quirales que pueden inducir un plegamiento helicoidal a través de interacciones de enlaces de hidrógeno (Figura 4).

Los investigadores revelaron que la reticulación inducida por la luz en 1 alineado longitudinalmente, Los restos de 3-butadina (un grupo de moléculas que contienen cuatro carbonos con enlaces triples en el primer y tercer carbonos) podrían generar el ONT covalente deseado. "Esta es la primera vez en el mundo que muestra que la reacción de polimerización fotoquímica de los diinos es aplicable a la reacción de reticulación de un polímero helicoidal, "dice Maeda, un estudiante de posgrado que realizó principalmente los experimentos.

Se espera que el método de "hélice a tubo" pueda generar una gama de materiales basados ​​en ONT simplemente cambiando la unidad de areno (anillo aromático) en el monómero.

"Una de las partes más difíciles de esta investigación fue cómo obtener evidencia científica sobre las estructuras de poli-PDE y ONT covalentes, "dice Ito, uno de los líderes de este estudio. "Teníamos poca experiencia con el análisis de polímeros y macromoléculas como las ONT. Afortunadamente, gracias al apoyo de nuestros colaboradores en la Universidad de Nagoya, que son especialistas en estos campos de investigación particulares, finalmente logramos caracterizar estas macromoléculas mediante diversas técnicas, incluida la espectroscopia, Difracción de rayos X, y microscopía ".

"Aunque nos llevó alrededor de un año sintetizar la ONT covalente, tomó otro año y medio para determinar la estructura del nanotubo, ", dice Maeda." Estaba extremadamente emocionado cuando vi por primera vez las imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM), que indicó que en realidad habíamos hecho el ONT covalente que esperábamos, " Ella continúa.

"La mejor parte de la investigación para mí fue descubrir que la reticulación fotoquímica había tenido lugar en la hélice por primera vez, "dice Maeda." Además, Se sabe que la reticulación fotoquímica ocurre generalmente en la fase sólida, pero pudimos demostrar que la reacción también tiene lugar en la fase de solución. Como las reacciones nunca se han llevado a cabo antes, Tenía dudas al principio, pero fue una sensación maravillosa lograr que la reacción funcionara por primera vez en el mundo. Puedo decir con certeza que este fue un momento en el que realmente encontré la investigación interesante ".

"Estábamos muy emocionados de desarrollar este método simple pero poderoso para lograr la síntesis de ONT covalentes, "dice Itami, el director del proyecto JST-ERATO y el director del centro de ITbM. "El método de" hélice a tubo "permite el diseño a nivel molecular y conducirá a la síntesis de varios ONT covalentes con diámetros fijos y longitudes de tubo con funcionalidades deseables".

"Prevemos que los avances en curso en el método de" hélice a tubo "pueden conducir al desarrollo de varios materiales basados ​​en ONT, incluidos materiales electroconductores y materiales luminiscentes, ", dice Ito." Actualmente estamos trabajando en la metodología de "hélice a tubo" y esperamos sintetizar ONT covalentes con propiedades interesantes para diversas aplicaciones ".