Nanocinturón de carbono. Crédito:Universidad de Nagoya
Los químicos han intentado sintetizar nanocinturones de carbono durante más de 60 años, pero ninguno lo ha logrado hasta ahora. Un equipo de la Universidad de Nagoya informó sobre la primera síntesis orgánica de un nanocinturón de carbono en Ciencias . Se espera que los nanocinturones de carbono sirvan como una plantilla útil para construir nanotubos de carbono y abran un nuevo campo de la ciencia de los nanocarbonos.
El nuevo nanocinturón, mide 0,83 nanómetros (nm) de diámetro, fue desarrollado por investigadores del Proyecto JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon de la Universidad de Nagoya, y el Instituto de Biomoléculas Transformadoras (ITbM). Científicos de todo el mundo han intentado sintetizar nanocinturones de carbono desde la década de 1950 y el grupo del profesor Kenichiro Itami ha trabajado en su síntesis durante 12 años.
"Nadie sabía si su síntesis orgánica era posible o no, "dice Segawa, uno de los líderes de este estudio que había estado involucrado en su síntesis durante 7 años y medio. "Sin embargo, Tenía mi mente puesta en la síntesis de esta hermosa molécula ".
Los nano cinturones de carbono son moléculas en forma de cinturón compuestas por anillos de benceno fusionados, que son anillos aromáticos que constan de seis átomos de carbono. Los nano cinturones de carbono son un segmento de nanotubos de carbono, que tienen diversas aplicaciones en electrónica y fotónica debido a sus características físicas únicas.
Los métodos sintéticos actuales producen nanotubos de carbono con diámetros y estructuras de paredes laterales inconsistentes, que cambia sus propiedades eléctricas y ópticas. Esto hace que sea extremadamente difícil aislar y purificar un solo nanotubo de carbono que tenga un diámetro específico, longitud y estructura de la pared lateral. Por lo tanto, Ser capaz de controlar con precisión la síntesis de nanotubos de carbono estructuralmente uniformes ayudará a desarrollar materiales novedosos y altamente funcionales.
Figura 1. Nanotubos de carbono que tienen diferentes diámetros y estructuras de paredes laterales. Crédito:Universidad de Nagoya
Se han identificado nanocinturones de carbono como una forma de construir nanotubos de carbono estructuralmente uniformes. Sin embargo, Sintetizar nanocinturones de carbono es un desafío debido a sus energías de tensión extremadamente altas. Esto se debe a que el benceno es estable cuando está plano, pero se vuelve inestable cuando se distorsionan por la fusión de los anillos.
Para superar este problema, Guillaume Povie, investigador postdoctoral del proyecto JST-ERATO, Yasutomo Segawa, un líder de grupo del proyecto JST-ERATO, y Kenichiro Itami, el director del proyecto JST-ERATO y el director del centro de ITbM, han tenido éxito en la primera síntesis química de un nanocinturón de carbono a partir de un precursor fácilmente disponible, p-xileno (una molécula de benceno con dos grupos metilo en el 1, 4- (para-) posición) en 11 pasos.
La clave de este éxito es su estrategia sintética basada en la formación en forma de cinturón a partir de un precursor de macrociclo con una tensión de anillo relativamente baja. En su estrategia, el equipo preparó un precursor de macrociclo a partir de p-xileno en 10 pasos, y formó el compuesto aromático en forma de cinturón mediante una reacción de acoplamiento (Fig. 3). El níquel fue esencial para mediar en el proceso de acoplamiento.
"La parte más difícil de esta investigación fue esta reacción de acoplamiento clave del precursor del macrociclo, "dice Povie." La reacción no se desarrolló bien día tras día y me tomó de tres a cuatro meses probar varias condiciones. Siempre he creído donde hay voluntad hay una manera ".
Figura 2. Estrategia general para el crecimiento de nanotubos de carbono utilizando un nanocinturón de carbono como plantilla. Crédito:Universidad de Nagoya
En 2015, Itami lanzó una nueva iniciativa en su proyecto ERATO para centrarse particularmente en la síntesis del nanocinturón de carbono. En el llamado "festival del cinturón, "Se propusieron varias nuevas rutas sintéticas para el nanocinturón de carbono y más de 10 investigadores participaron en el proyecto. El 28 de septiembre, 2016, exactamente un año después del inicio del festival, la estructura del nanocinturón de carbono finalmente fue revelada por cristalografía de rayos X frente a los miembros del grupo Itami. Todos contuvieron la respiración mientras miraban la pantalla durante el análisis de rayos X, y aplaudió cuando la imagen de forma cilíndrica del nanocinturón de carbono apareció en la pantalla. Itami, Segawa y Povie expresaron su alegría chocando los cinco.
"Fue uno de los momentos más emocionantes de mi vida y nunca lo olvidaré, "dice Itami." Dado que este es el resultado de un estudio de una década, Agradezco mucho a todos los miembros pasados y actuales de mi grupo por su apoyo y aliento. Gracias a su habilidad, tenacidad, sentido y voluntad fuerte de todos los miembros, logramos este exitoso resultado ".
Figura 3. Enfoque sintético hacia la nanobanda de carbono a partir de p-xileno en 11 pasos. Crédito:Universidad de Nagoya
El nanocinturón de carbono sintetizado es un sólido de color rojo y presenta una fluorescencia de color rojo intenso. El análisis por cristalografía de rayos X reveló que el nanocinturón de carbono tiene una forma cilíndrica de la misma manera que los nanotubos de carbono (Fig. 4). Los investigadores también midieron su absorción y emisión de luz, conductividad eléctrica y rigidez estructural por fluorescencia de absorción ultravioleta-visible, y estudios espectroscópicos Raman, así como cálculos teóricos.
"Realmente, la parte de síntesis se terminó el pasado mes de agosto pero no pude descansar hasta que pude confirmar la estructura de rayos X del nanocinturón de carbono, ", dice Povie." Me sentí muy feliz cuando vi la estructura de rayos X ".
Figura 4. Desde la izquierda:estructura de rayos X de la nanobanda de carbono, cristales de nanocinturón de carbono bajo la luz de la habitación, y bajo luz ultravioleta. Crédito:Universidad de Nagoya
El nanobelt de carbono se lanzará al mercado en el futuro. "Estamos deseando descubrir nuevas propiedades y funcionalidades del nanocinturón de carbono con investigadores de todo el mundo, "dicen Segawa e Itami.
