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日本研究团队首次合成“莫比乌斯环”形状碳分子

日本名古屋大学研究团队已合成了一种带状分子纳米碳,具有扭曲的莫比乌斯带拓扑结构,即莫比乌斯碳纳米带。图片来源:瀬川泰知等人/《自然·合成》


  日本名古屋大学研究团队已合成了一种带状分子纳米碳,具有扭曲的莫比乌斯带拓扑结构,即莫比乌斯碳纳米带。图片来源:拍卖平台《自然·合成》

  构建结构均匀的纳米碳对于纳米技术、电子学、光学和生物医学应用中的功能材料的发展至关重要。据近日发表在《自然·合成》杂志上的论文,日本名古屋大学研究团队已合成了一种带状分子纳米碳,具有扭曲的莫比乌斯带拓扑结构,即莫比乌斯碳纳米带。

  分子纳米碳科学是一种自下而上使用合成有机化学制造纳米碳的方法。然而,迄今为止合成的分子纳米碳仅具有简单的结构,例如环状、碗状或带状。为了实现未知的和理论上预测的纳米碳,有必要开发新方法来合成具有更复杂结构的分子纳米碳。

  2017年,名古屋大学研究团队历经60年首次化学合成碳纳米带,这是一种超短碳纳米管。之后,莫比乌斯碳纳米带成为科学界梦寐以求的目标。

  “与具有正常带状拓扑结构相比,这种扭曲的莫比乌斯碳纳米带应会表现出完全不同的特性和分子运动。然而,创造这种扭曲的结构说起来容易做起来难。”研究团队负责人伊丹健一郎说,从之前的碳纳米带合成中得知,应变能是合成过程中最大的障碍。此外,带状结构内的额外扭曲使最终目标分子的应变能更高。

  通过对莫比乌斯碳纳米带的带状和扭曲分子结构产生的巨大应变进行理论分析,研究团队确定了合理的合成路线,最终通过14个化学反应步骤合成了莫比乌斯碳纳米带,包括新开发的官能化反应、Z-选择性维蒂希反应序列和应变诱导镍介导的同源偶联反应。光谱分析和分子动力学模拟表明,在溶液中,莫比乌斯带的扭曲部分在溶液中围绕莫比乌斯碳纳米带分子快速移动。利用手性分离和圆二色光谱,从实验上证实了莫比乌斯结构的拓扑手性。

  研究人员表示,新形式的碳和纳米碳不断地为新的科技打开大门,并导致了往往不可预知的非凡的特性、功能和应用的发现。这项工作为开发具有复杂拓扑结构的纳米碳材料及使用莫比乌斯拓扑学的创新材料科学的诞生铺平了道路。


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