Per la prima volta, i ricercatori hanno usato il benzene, un comune idrocarburo, per creare un nuovo tipo di nanotubo molecolare, che potrebbe portare a nuove applicazioni di semiconduttori a base di nanocarbonio.

I ricercatori del Dipartimento di Chimica hanno lavorato duramente nel loro laboratorio recentemente rinnovato presso la Graduate School of Science dell'Università di Tokyo. L'ambiente incontaminato e il layout intelligente offrono loro ampie opportunità per esperimenti entusiasmanti. Il professor Hiroyuki Isobe e i colleghi condividono un apprezzamento per le strutture molecolari "belle" e hanno creato qualcosa che non è solo bello, ma è anche una novità per la chimica.

Il loro nanotubo di fenina (pNT) è noto per la sua piacevole simmetria e semplicità, che è in netto contrasto con i suoi complessi mezzi di sviluppo. La sintesi chimica dei nanotubi è notoriamente difficile e impegnativa, e controllare le strutture in questione per fornire proprietà e funzioni uniche è ancora più complesso.

I nanotubi di carbonio sono famosi per la loro struttura di grafite priva di difetti, ma variano ampiamente in lunghezza e diametro. Isobe e il suo team volevano un unico tipo di nanotubo, una nuova forma con difetti controllati all'interno della sua struttura cilindrica di dimensioni nanometriche che consente a molecole aggiuntive di aggiungere proprietà e funzioni.

Il nuovo processo di sintesi dei ricercatori inizia con il benzene, un anello esagonale di sei atomi di carbonio. Hanno usato reazioni per combinare sei di questi benzeni per creare un anello esagonale più grande chiamato ciclo-meta-fenilene (CMP). Gli atomi di platino hanno permesso a quattro CMP di formare un cubo aperto. Quando il platino viene rimosso, il cubo scatta in un cerchio spesso e questo è fornito di molecole a ponte su entrambe le estremità, abilitando la forma del tubo.

Sembra complicato, ma sorprendentemente, questo complesso processo lega con successo i benzeni nel modo giusto oltre il 90% delle volte. La chiave sta anche nella simmetria della molecola, che semplifica il processo di assemblaggio di ben 40 benzeni. Questi benzeni, chiamate anche fenine, sono usati come pannelli per formare il cilindro di dimensioni nanometriche. Il risultato è una nuova struttura di nanotubi con difetti periodici intenzionali. Indagini teoriche mostrano che questi difetti impregnano il nanotubo di caratteri semiconduttori.

"Anche un cristallo di pNT è interessante:le molecole di pNT sono allineate e impacchettate in un reticolo ricco di pori e vuoti, " Isobe spiega. "Questi nanopori possono incapsulare varie sostanze che conferiscono al cristallo pNT proprietà utili nelle applicazioni elettroniche. Una molecola che abbiamo incorporato con successo nel pNT era una grande molecola di carbonio chiamata fullerene (C70)."

"Una squadra guidata da Kroto/Curl/Smalley ha scoperto i fullereni nel 1985. Si dice che Sir Harold Kroto si sia innamorato della bellissima molecola, " continua Isobe. "La pensiamo allo stesso modo per pNT. Siamo rimasti scioccati nel vedere la struttura molecolare dall'analisi cristallografica. Dalla nostra sintesi chimica emerge una struttura cilindrica perfetta con una simmetria quadrupla".

"Dopo alcuni decenni dalla scoperta, questa bella molecola, fullerene, ha trovato varie utilità e applicazioni, " aggiunge Isobe. "Ci auguriamo che la bellezza della nostra molecola indichi anche proprietà uniche e funzioni utili che aspettano di essere scoperte".

Lo studio è pubblicato sulla rivista Scienza .