I nanografi stanno attirando un ampio interesse da molti ricercatori come potenti candidati per la prossima generazione di materiali in carbonio grazie alle loro proprietà elettriche uniche. Gli scienziati dell'Università di Nagoya hanno ora sviluppato un modo rapido per formare nanografeni in modo controllato. Questo metodo semplice e potente per la sintesi del nanografene potrebbe aiutare a generare una gamma di nuovi materiali optoelettronici, come display elettroluminescenti organici e celle solari.

Un gruppo di chimici del JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project e dell'Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM) dell'Università di Nagoya, ei loro colleghi hanno sviluppato un metodo semplice e potente per sintetizzare i nanografeni. Questo nuovo approccio, recentemente descritto nella rivista Scienza , dovrebbe portare a significativi progressi nella sintesi organica, scienza dei materiali e chimica catalitica.

nanografi, strisce unidimensionali di grafene larghe un nanometro, sono molecole composte da unità benzeniche. I nanografi stanno attirando l'interesse come potenti candidati per i materiali di prossima generazione, compresi i materiali optoelettronici, per le loro caratteristiche elettriche uniche. Queste proprietà dei nanografeni dipendono principalmente dalla loro larghezza, strutture di lunghezza e bordo. Così, metodi efficienti per accedere a nanografeni strutturalmente controllati è altamente auspicabile.

La sintesi ideale dei nanografeni sarebbe un assemblaggio di unità benzene tipo "LEGO" per definire il numero e la forma esatti della molecola. Però, questo approccio diretto non è attualmente possibile. Il team ha sviluppato un metodo alternativo che è semplice e controlla la struttura del nanografene mentre si forma in tre passaggi chiave.

Primo, semplici derivati ​​del benzene sono assemblati linearmente, attraverso una reazione di cross-coupling. Quindi, queste catene benzeniche sono collegate tra loro da un catalizzatore al palladio che porta ad una molecola con tre anelli benzenici legati tra loro in modo piatto, forma triangolare. Questo processo si ripete lungo tutta la catena, zippare efficacemente gli anelli insieme.

L'innovazione sviluppata dal team era un nuovo modo per raggiungere il passaggio intermedio che forma l'unità triangolare a tre anelli che costituisce il nucleo per ulteriori reazioni per generare la molecola di nanografene. Una tecnica classica per collegare le unità benzene utilizza gli alogenuri arilici come reagenti di reazione. Gli alogenuri arilici sono composti aromatici in cui uno o più atomi di idrogeno legati ad un anello aromatico sono sostituiti da atomi di alogeno come fluoro (F), cloro (Cl), bromo (Br), o iodio (I). Ciò consente al benzene di connettersi in un unico punto attraverso un processo chiamato dimerizzazione, scoperta da Fritz Ullmann e Jean Bielecki nel 1901. Tuttavia, la reazione di Ullmann non genera nanografeni quando si utilizza il composto fenilene come materiale di partenza.

Il team ha scoperto che l'uso di un catalizzatore al palladio ha consentito connessioni tra le unità di benzene in due punti, fornendo la struttura triangolare di tre anelli benzenici. Al centro di ciascun gruppo di anelli si forma una frazione di trifenilene.

"Questa scoperta è stata del tutto casuale, ", afferma il Professore Associato Designato Kei Murakami, un chimico della Nagoya University e uno dei leader di questo studio. "Pensiamo che questa reazione sia la chiave di questo nuovo approccio per la sintesi del nanografene".

Il team ha quindi utilizzato un processo chiamato reazione di Scholl per ripetere questo processo e sintetizzare con successo una molecola di nanografene. La reazione procede in modo simile agli anelli di benzene che vengono chiusi con la cerniera, con il trifenilene che funge da nucleo.

"Una delle parti più difficili di questa ricerca è stata ottenere prove scientifiche per dimostrare le strutture del derivato del trifenilene e delle molecole di nanografene, "dice Yoshito Koga, uno studente laureato che ha condotto principalmente gli esperimenti. "Dal momento che nessuno nel nostro gruppo ha mai maneggiato trifenileni e nanografeni, Stavo conducendo la ricerca attraverso un metodo di "prova ed errore". Ero estremamente eccitato quando ho visto per la prima volta il segnale di spettrometria di massa della molecola desiderata per rivelare la massa della molecola attraverso MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization), il che indicava che eravamo effettivamente riusciti a produrre nanografene in modo controllato".

Il team era già riuscito a sintetizzare vari derivati ​​del trifenilene, come molecole che includono 10 anelli benzenici, naftalene (una coppia fusa di anelli benzenici), atomi di azoto, e atomi di zolfo. Questi derivati ​​del trifenilene senza precedenti potrebbero essere potenzialmente utilizzati nelle celle solari.

"L'approccio per la creazione di molecole funzionali da semplici unità benzene sarà applicabile alla sintesi non solo del nanographene, ma anche a vari altri materiali nanocarbonici, "dice Murakami.

"I nanografi sono destinati ad essere utili come materiali futuri, "dice il professor Kenichiro Itami, direttore del JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project. "Speriamo che la nostra scoperta porti all'accelerazione della ricerca applicata e faccia avanzare il campo della scienza del nanografene".