I chimici hanno cercato di sintetizzare nanocinture di carbonio per più di 60 anni, ma nessuno ci è riuscito fino ad ora. Un team dell'Università di Nagoya ha riportato la prima sintesi organica di una nanocintura di carbonio in Scienza . Si prevede che le nanocinture di carbonio fungeranno da modello utile per la costruzione di nanotubi di carbonio e apriranno un nuovo campo della scienza del nanocarbonio.

La nuova nanocintura, misurando 0,83 nanometri (nm) di diametro, è stato sviluppato dai ricercatori del JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project della Nagoya University, e l'Istituto di Biomolecole Trasformative (ITbM). Scienziati di tutto il mondo hanno cercato di sintetizzare nanocinture di carbonio dagli anni '50 e il gruppo del professor Kenichiro Itami ha lavorato alla sua sintesi per 12 anni.

"Nessuno sapeva se la sua sintesi organica fosse possibile o meno, "dice Segawa, uno dei leader di questo studio che era stato coinvolto nella sua sintesi per 7 anni e mezzo. "Però, Avevo in mente la sintesi di questa bellissima molecola".

Le nanocinture di carbonio sono molecole a forma di cintura composte da anelli di benzene fusi, che sono anelli aromatici costituiti da sei atomi di carbonio. Le nanocinture di carbonio sono un segmento di nanotubi di carbonio, che hanno varie applicazioni in elettronica e fotonica a causa delle loro caratteristiche fisiche uniche.

Gli attuali metodi sintetici producono nanotubi di carbonio con diametri e strutture laterali incoerenti, che ne modifica le proprietà elettriche e ottiche. Ciò rende estremamente difficile isolare e purificare un singolo nanotubo di carbonio che ha un diametro specifico, lunghezza e struttura della parete laterale. Perciò, essere in grado di controllare con precisione la sintesi di nanotubi di carbonio strutturalmente uniformi aiuterà a sviluppare materiali nuovi e altamente funzionali.

Le nanocinture di carbonio sono state identificate come un modo per costruire nanotubi di carbonio strutturalmente uniformi. Però, sintetizzare nanocinture di carbonio è impegnativo a causa delle loro energie di deformazione estremamente elevate. Questo perché il benzene è stabile quando è piatto, ma diventa instabile quando vengono deformati dalla fusione degli anelli.

Per superare questo problema, Guillaume Povie, un ricercatore post-dottorato del progetto JST-ERATO, Yasutomo Segawa, un capogruppo del progetto JST-ERATO, e Kenichiro Itami, il direttore del progetto JST-ERATO e il direttore del centro di ITbM, sono riusciti nella prima sintesi chimica di una nanocintura di carbonio da un precursore prontamente disponibile, p-xilene (una molecola di benzene con due gruppi metilici nella 1, 4- (para-) posizione) in 11 passaggi.

La chiave di questo successo è la loro strategia sintetica basata sulla formazione a forma di cintura da un precursore del macrociclo con una deformazione dell'anello relativamente bassa. Nella loro strategia, il team ha preparato un precursore del macrociclo dal p-xilene in 10 passaggi, e ha formato il composto aromatico a forma di cintura mediante una reazione di accoppiamento (Fig. 3). Il nichel era essenziale per mediare il processo di accoppiamento.

"La parte più difficile di questa ricerca è stata questa reazione di accoppiamento chiave del precursore del macrociclo, "dice Povie. "La reazione non procedeva bene giorno dopo giorno e mi ci sono voluti dai tre ai quattro mesi per testare varie condizioni. Ho sempre creduto dove c'è una volontà, c'è un modo."

Nel 2015, Itami ha lanciato una nuova iniziativa nel suo progetto ERATO per concentrarsi in particolare sulla sintesi del nanobelt di carbonio. Al cosiddetto "festival della cintura, " sono state proposte diverse nuove vie sintetiche per la nanocintura di carbonio e più di 10 ricercatori sono stati coinvolti nel progetto. Il 28 settembre, 2016, esattamente un anno dopo l'inizio del festival, la struttura della nanocintura di carbonio è stata finalmente rivelata dalla cristallografia a raggi X di fronte ai membri del gruppo Itami. Tutti hanno trattenuto il respiro mentre fissavano lo schermo durante l'analisi a raggi X, ed esultò quando l'immagine di forma cilindrica della nanocintura di carbonio apparve sullo schermo. Itami, Segawa e Povie hanno espresso la loro gioia battendo il cinque.

"È stato uno dei momenti più emozionanti della mia vita e non lo dimenticherò mai, " dice Itami. "Poiché questo è il risultato di uno studio decennale, Apprezzo molto tutti i membri passati e attuali del mio gruppo per il loro sostegno e incoraggiamento. Grazie alla loro abilità, durezza, senso e forte volontà di tutti i membri, abbiamo raggiunto questo risultato di successo."

La nanocintura di carbonio sintetizzata è un solido di colore rosso e mostra una fluorescenza rosso intenso. L'analisi mediante cristallografia a raggi X ha rivelato che il nanobelt di carbonio ha una forma cilindrica allo stesso modo dei nanotubi di carbonio (Fig. 4). I ricercatori hanno anche misurato il suo assorbimento e l'emissione di luce, conducibilità elettrica e rigidità strutturale mediante fluorescenza di assorbimento ultravioletta-visibile, e studi spettroscopici Raman, anche calcoli teorici.

"In realtà, la parte di sintesi è stata terminata lo scorso agosto ma non ho potuto riposarmi finché non sono stato in grado di confermare la struttura ai raggi X della nanocintura di carbonio, "dice Povie. "Sono stato davvero felice quando ho visto la struttura a raggi X".

La nanocintura di carbonio sarà lanciata sul mercato in futuro. "Non vediamo l'ora di scoprire nuove proprietà e funzionalità della nanocintura di carbonio con ricercatori di tutto il mondo, "dicono Segawa e Itami.