I nanotubi organici (ONT) sono nanostrutture tubolari composte da molecole organiche che hanno proprietà uniche e hanno trovato varie applicazioni, come i materiali elettroconduttori e il fotovoltaico organico. Un gruppo di scienziati dell'Università di Nagoya ha sviluppato un metodo semplice ed efficace per la formazione di ONT covalenti robusti da molecole semplici. Questo metodo dovrebbe essere utile nella generazione di una gamma di materiali a base di nanotubi con proprietà desiderabili.

Kaho Maeda, Dottor Hideto Ito, Professor Kenichiro Itami del JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project e dell'Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM) dell'Università di Nagoya, e i loro colleghi hanno riportato in Giornale della Società Chimica Americana , sullo sviluppo di una nuova e semplice strategia, "helix-to-tube" per sintetizzare nanotubi organici covalenti.

I nanotubi organici (ONT) sono molecole organiche con nanostrutture tubolari. Le nanostrutture sono strutture che vanno da 1 nm a 100 nm, e gli ONT hanno una cavità di dimensioni nanometriche. Sono state segnalate varie applicazioni di ONT, compresi i materiali di riconoscimento molecolare, canale/sensori ionici transmembrana, materiali elettroconduttori, e fotovoltaico organico. La maggior parte degli ONT sono costruiti mediante un processo di autoassemblaggio basato su interazioni deboli non covalenti come il legame idrogeno, interazioni idrofobiche e interazioni π-π tra anelli aromatici. A causa di queste interazioni relativamente deboli, la maggior parte degli ONT non covalenti possiede una struttura relativamente fragile (Figura 1).

ONT covalenti, i cui scheletri tubolari sono reticolati da un legame covalente (un legame formato dalla condivisione di elettroni tra atomi) potrebbero essere sintetizzati da ONT non covalenti. Mentre gli ONT covalenti mostrano una maggiore stabilità e resistenza meccanica rispetto agli ONT non covalenti, la strategia sintetica generale per gli ONT covalenti doveva ancora essere stabilita (Figura 2).

Un team guidato da Hideto Ito e Kenichiro Itami è riuscito a sviluppare un metodo semplice ed efficace per la sintesi di robusti ONT covalenti (tubo) mediante un'irradiazione di luce operativamente semplice di un polimero elicoidale (elica) facilmente accessibile. Questa cosiddetta strategia "helix-to-tube" si basa sui seguenti passaggi:1) polimerizzazione di una piccola molecola (monomero) per formare un polimero elicoidale seguito da, 2) reticolazione indotta dalla luce a passi ripetuti longitudinalmente attraverso l'intera elica per formare nanotubi covalenti (Figura 3).

Con la loro strategia, il team ha progettato e sintetizzato polimeri elicoidali a base di diacetilene (gli acetileni sono molecole che contengono tripli legami carbonio-carbonio), poli(m-fenilene dietilene)s (poli-PDE), che ha catene laterali ammidiche chirali che sono in grado di indurre un ripiegamento elicoidale attraverso interazioni di legame idrogeno (Figura 4).

I ricercatori hanno rivelato che la reticolazione indotta dalla luce a livello longitudinale 1, Le porzioni 3-butadiyne (un gruppo di molecole che contengono quattro atomi di carbonio con tripli legami al primo e al terzo carbonio) potrebbero generare l'ONT covalente desiderato. "Questa è la prima volta al mondo che dimostra che la reazione di polimerizzazione fotochimica dei diynes è applicabile alla reazione di reticolazione di un polimero elicoidale, "dice Maeda, uno studente laureato che ha condotto principalmente gli esperimenti.

Si prevede che il metodo "helix-to-tube" sia in grado di generare una gamma di materiali a base di ONT semplicemente cambiando l'unità arene (anello aromatico) nel monomero.

"Una delle parti più difficili di questa ricerca è stata come ottenere prove scientifiche sulle strutture di poli-PDE e ONT covalenti, "dice Ito, uno dei protagonisti di questo studio. "Avevamo poca esperienza con l'analisi di polimeri e macromolecole come le ONT. Fortunatamente, grazie al supporto dei nostri collaboratori della Nagoya University, che sono specialisti in questi particolari campi di ricerca, siamo finalmente riusciti a caratterizzare queste macromolecole con varie tecniche tra cui la spettroscopia, Diffrazione di raggi X, e microscopia».

"Sebbene ci sia voluto circa un anno per sintetizzare l'ONT covalente, ci è voluto un altro anno e mezzo per determinare la struttura del nanotubo, " dice Maeda. "Ero estremamente eccitato quando ho visto per la prima volta le immagini della microscopia elettronica a trasmissione (TEM), che indicava che avevamo effettivamente realizzato l'ONT covalente che ci aspettavamo, " lei continua.

"La parte migliore della ricerca per me è stata scoprire che la reticolazione fotochimica aveva avuto luogo sull'elica per la prima volta, " dice Maeda. "Inoltre, è noto che la reticolazione fotochimica si verifica solitamente nella fase solida, ma siamo riusciti a dimostrare che la reazione avviene anche nella fase di soluzione. Poiché le reazioni non sono mai state effettuate prima, All'inizio ero dubbioso, ma è stata una sensazione meravigliosa riuscire a far funzionare la reazione per la prima volta al mondo. Posso dire con certezza che questo è stato un momento in cui ho trovato davvero interessante la ricerca".

"Eravamo davvero entusiasti di sviluppare questo metodo semplice ma potente per ottenere la sintesi di ONT covalenti, " dice Itami, il direttore del progetto JST-ERATO e il direttore del centro di ITbM. "Il metodo "elica-tubo" consente la progettazione a livello molecolare e porterà alla sintesi di vari ONT covalenti con diametri fissi e lunghezze del tubo con funzionalità desiderabili".

"Prevediamo che i continui progressi nel metodo "helix-to-tube" possano portare allo sviluppo di vari materiali a base di ONT, inclusi materiali elettroconduttivi e materiali luminescenti, ", afferma Ito. "Attualmente stiamo lavorando sulla metodologia "helix-to-tube" e speriamo di sintetizzare ONT covalenti con proprietà interessanti per varie applicazioni".