L'attuale metodo di produzione di nanotubi di carbonio, in sostanza fogli di grafene arrotolati, non è in grado di consentire il controllo completo sul loro diametro, lunghezza e tipo. Questo problema è stato recentemente risolto per due dei tre diversi tipi di nanotubi, ma il terzo tipo, noti come nanotubi "a zigzag", era rimasto fuori portata. I ricercatori del National Institutes of Natural Sciences (NINS) del Giappone hanno ora scoperto come sintetizzare la varietà a zigzag.

Il loro metodo è descritto nella rivista Chimica della natura , pubblicato il 25 gennaio

Grazie alla capacità unica del carbonio di combinarsi con altri atomi per formare molecole, quando si combina con se stesso, può farlo in molti modi strutturalmente diversi (come diamanti e grafite) con proprietà diverse. Negli ultimi decenni, sono state prodotte forme come il grafene, uno strato di carbonio dello spessore di un atomo formato da un reticolo esagonale a nido d'ape. Un'altra di queste diverse forme, o 'allotropi, ' che può essere prodotto è un cilindro cavo di grafene noto come nanotubo.

Quando gli esagoni di carbonio nel nanotubo si uniscono in questo reticolo a nido d'ape, formano o una poltrona, zigzag o configurazione chirale. Il nome "zigzag" è usato per la configurazione in cui il "percorso" di ciascun legame molecolare tra atomi di carbonio è diretto prima verso sinistra di 60 gradi, poi verso destra di 60 gradi, poi a sinistra di 60 gradi, poi di nuovo a destra di 60 gradi:un motivo a zigzag. Il nome 'poltrona' descrive un percorso che si sposta due volte a sinistra, poi due volte a destra, prima di ripetere. Questo percorso sembra un po' come una poltrona, da qui il nome. Un terzo tipo, chirale, si trova tra queste due forme, insieme alla sua immagine speculare.

Se si potesse prendere un coltello e tagliare questi tubi due volte orizzontalmente contro l'asse longitudinale, si potrebbe produrre una 'cintura' di nanotubi, composto da 12 anelli esagonali in carbonio. Tale cintura è chiamata "nanobelt".

Gli sforzi per la produzione di queste nanocinture sono stati oggetto di molte ricerche accademiche. Ciò è dovuto ai limiti della produzione convenzionale di nanotubi, che assume quella che viene definita una forma "dall'alto verso il basso". La produzione dall'alto verso il basso comporta la polverizzazione di una massa sfusa di carbonio in polvere, dopodiché i nanotubi si formano casualmente in uno o più dei tre tipi di configurazione.

"Il problema qui è che non puoi controllare quale tipo di configurazione è formato, o il diametro, o anche la lunghezza, " disse Yasutomo Segawa, dell'Institute for Molecular Science presso NINS e autore corrispondente per l'articolo. "Ma se puoi costruire un nanotubo dal basso verso l'alto, dal 'seme' di una nanocintura, poi controlli tutti e tre questi aspetti."

La ricerca precedente nel 2019 era stata in grado di produrre poltrone e nanocinture chirali, ma non il terzo tipo:lo zigzag.

E ora per la prima volta, i ricercatori sono stati in grado di formare una nanocintura a zigzag. La chiave della strategia di sintesi del nanobelt era il collegamento degli anelli esagonali con un atomo di ossigeno (l'aggiunta di un'unità di ossanorbornadiene). Sono stati quindi in grado di utilizzare la cristallografia a raggi X per confermare che questa struttura, che era stato previsto da calcoli teorici, si stava effettivamente formando nel mondo reale.

Con questa terza sintesi di nanobelt, tutti e tre i tipi di nanotubi:poltrona, chirale, e zigzag, sono in linea di principio ora disponibili. Questo è un grande passo avanti verso la sintesi dal basso verso l'alto di nanotubi di carbonio realizzati su ordinazione.

Il prossimo passo è portare questa prova di concetto attraverso l'effettiva sintesi dal basso verso l'alto selettiva per la struttura dei nanotubi di carbonio, utilizzando la sintesi di nanotubi di carbonio utilizzando le loro nanocinture come semi.