Ottenere nanocarburi strutturalmente uniformi per correlare correttamente struttura e funzione, idealmente come singole molecole, è una grande sfida nel campo della scienza dei nanocarboni. Pertanto, la costruzione di nanocarburi strutturalmente uniformi è fondamentale per lo sviluppo di materiali funzionali in nanotecnologie, elettronica, ottica e applicazioni biomediche. Uno strumento importante per raggiungere questo obiettivo è la scienza del nanocarbonio molecolare, che è un approccio dal basso verso l'alto verso la creazione di nanocarburi utilizzando la chimica organica sintetica. Tuttavia, i nanocarburi molecolari sintetizzati finora hanno strutture semplici, come quella di un anello, una ciotola o una cintura. Per realizzare nanocarburi inesplorati e teoricamente previsti, è necessario sviluppare nuove metodologie per sintetizzare nanocarburi molecolari con strutture più complesse.

Ora, un team guidato da Kenichiro Itami (Professore, Università di Nagoya) e Yasutomo Segawa (Professore Associato, Institute for Molecular Science) e Yuh Hijikata, (Professore Associato Specialmente Nominato, ICReDD) ha sintetizzato un nanocarbonio molecolare a forma di cintura con un topologia della banda di Möbius (ovvero una nanocintura di carbonio di Möbius) e ha pubblicato i risultati in Nature Synthesis .

"La nanocintura di carbonio di Möbius era una molecola da sogno nella comunità scientifica dopo che abbiamo segnalato la prima sintesi chimica di una nanocintura di carbonio, un nanotubo di carbonio ultracorto, nel 2017. Proprio come le cinture che usiamo ogni giorno, abbiamo immaginato cosa sarebbe successo alla nostra "cintura molecolare" quando viene stretta con una torsione. È un'altra molecola straordinariamente bella", afferma Kenichiro Itami, leader del gruppo di ricerca.

Una nanocintura di carbonio Möbius così contorta dovrebbe manifestare proprietà e movimenti molecolari abbastanza diversi rispetto a quelli con una normale topologia di cintura. Tuttavia, creare questa svolta è più facile a dirsi che a farsi. "Sapevamo dalla nostra precedente sintesi di nanocinture di carbonio che l'energia di deformazione è il più grande ostacolo nella sintesi. Inoltre, la torsione aggiuntiva all'interno della struttura della cintura rende l'energia di deformazione della molecola finale ancora più elevata. La chiave del successo nel la sintesi effettiva è stata la nostra progettazione molecolare e l'esame dettagliato delle condizioni di reazione", afferma Yasutomo Segawa, co-leader del progetto.

Il percorso sintetico razionale è stato determinato utilizzando l'analisi teorica dell'enorme deformazione derivata sia dalla forma della cintura che dalla struttura molecolare contorta della nanocintura di carbonio di Möbius. La nanocintura di carbonio Möbius è stata sintetizzata in 14 fasi di reazione chimica, tra cui una reazione di funzionalizzazione di recente sviluppo, una sequenza di reazione Wittig selettiva Z e una reazione di omoaccoppiamento mediata da nichel che induce deformazione. L'analisi spettroscopica e la simulazione della dinamica molecolare rivelano che la parte di torsione della banda di Möbius si muove rapidamente attorno alla molecola della nanocintura di carbonio di Möbius in soluzione. La chiralità topologica originata dalla struttura di Möbius è stata confermata sperimentalmente mediante separazione chirale e spettroscopia di dicroismo circolare.

Guardando indietro nella storia, nuove forme di carbonio e nanocarburi hanno costantemente aperto le porte a nuove scienze e tecnologie e hanno portato alla scoperta di proprietà, funzioni e applicazioni straordinarie (e spesso imprevedibili). Il presente lavoro è un risultato pionieristico che apre la strada allo sviluppo di materiali in nanocarbonio con strutture topologiche complesse e alla nascita di una scienza dei materiali innovativa che utilizza la topologia di Möbius. + Esplora ulteriormente

Sintesi di una nanobelt di carbonio con potenziali applicazioni nelle nanotecnologie