Obtener nanocarbonos estructuralmente uniformes para poder relacionar adecuadamente estructura y función, idealmente como moléculas individuales, es un gran desafío en el campo de la ciencia del nanocarbono. Por lo tanto, la construcción de nanocarbonos estructuralmente uniformes es crucial para el desarrollo de materiales funcionales en nanotecnología, electrónica, óptica y aplicaciones biomédicas. Una herramienta importante para lograr este objetivo es la ciencia del nanocarbono molecular, que es un enfoque de abajo hacia arriba para crear nanocarbonos mediante la química orgánica sintética. Sin embargo, los nanocarbonos moleculares sintetizados hasta ahora tienen estructuras simples, como un anillo, un cuenco o un cinturón. Para realizar nanocarbonos inexplorados y predichos teóricamente, es necesario desarrollar nuevas metodologías para sintetizar nanocarbonos moleculares con estructuras más complejas.

Ahora, un equipo dirigido por Kenichiro Itami (profesor de la Universidad de Nagoya), Yasutomo Segawa (profesor asociado, Instituto de Ciencias Moleculares) y Yuh Hijikata (profesor asociado especialmente designado, ICReDD) ha sintetizado un nanocarbono molecular en forma de cinturón con un trenzado Topología de banda de Möbius (es decir, un nanocinturón de carbono de Möbius) y publicaron sus resultados en Nature Synthesis .

"El nanocinturón de carbono de Möbius fue una molécula de ensueño en la comunidad científica después de que informamos la primera síntesis química de un nanocinturón de carbono, un nanotubo de carbono ultracorto, en 2017. Al igual que los cinturones que usamos todos los días, imaginamos lo que sucedería con nuestro "cinturón molecular" cuando se aprieta con un giro. Es otra molécula increíblemente hermosa", dice Kenichiro Itami, líder del grupo de investigación.

Un nanocinturón de carbono de Möbius retorcido debería manifestar propiedades y movimientos moleculares bastante diferentes en comparación con aquellos con una topología de cinturón normal. Sin embargo, crear este giro es más fácil decirlo que hacerlo. "Sabíamos por nuestra síntesis anterior de nanocinturones de carbono que la energía de deformación es el mayor obstáculo en la síntesis. Además, el giro adicional dentro de la estructura del cinturón hace que la energía de deformación de la molécula objetivo final sea aún mayor. La clave del éxito en la la síntesis real fue nuestro diseño molecular y el examen detallado de las condiciones de reacción", dice Yasutomo Segawa, codirector del proyecto.

La ruta de síntesis racional se determinó utilizando el análisis teórico de la enorme tensión derivada tanto de la forma de cinturón como de la estructura molecular retorcida del nanocinturón de carbono de Möbius. El nanocinturón de carbono de Möbius se sintetizó en 14 pasos de reacción química, incluida una reacción de funcionalización recientemente desarrollada, una secuencia de reacción de Wittig selectiva en Z y una reacción de homoacoplamiento mediada por níquel inductora de tensión. El análisis espectroscópico y la simulación de dinámica molecular revelan que la fracción de torsión de la banda de Möbius se mueve rápidamente alrededor de la molécula del nanocinturón de carbono de Möbius en solución. La quiralidad topológica que se origina en la estructura de Möbius se confirmó experimentalmente mediante separación quiral y espectroscopia de dicroísmo circular.

Mirando hacia atrás en la historia, las nuevas formas de carbono y nanocarbonos han abierto constantemente las puertas a la nueva ciencia y tecnología y han llevado al descubrimiento de propiedades, funciones y aplicaciones extraordinarias (y a menudo impredecibles). El presente trabajo es un logro pionero que allana el camino para el desarrollo de materiales de nanocarbono con estructuras topológicas complejas y el nacimiento de una ciencia de materiales innovadora utilizando la topología de Möbius. + Explora más

Síntesis de un nanocinturón de carbono con aplicaciones potenciales en nanotecnología