Текущий метод производства углеродных нанотрубок – по сути, свернутых листов графена – не позволяет полностью контролировать их диаметр, длину и тип.

Эта проблема была недавно решена для двух из трех различных типов нанотрубок, но третий тип, известный как «зигзагообразные» нанотрубки, остался недосягаемым. Исследователи из Национального института естественных наук Японии (NINS) выяснили, как синтезировать зигзагообразную разновидность

.

Их метод описан в журнале Nature Chemistry опубликованном 25 января.

Благодаря уникальной способности углерода объединяться с другими атомами с образованием молекул, когда он соединяется с самим собой, он может делать это многими структурно разными способами (например, алмазы и графит) с разными свойствами. В последние десятилетия были созданы такие формы, как графен – слой углерода толщиной в один атом, образованный из гексагональной сотовой решетки. Другой из этих различных форм, или «аллотропов», которые могут быть созданы, является полый цилиндр из графена, известный как нанотрубка.

Когда шестиугольники углерода в нанотрубке объединяются в эту сотовую решетку, они образуют либо кресло, либо зигзагообразную, либо хиральную конфигурацию. Название «зигзаг» используется для конфигурации, в которой «путь» каждой молекулярной связи между атомами углерода направлен сначала влево на 60 градусов, затем вправо на 60 градусов, затем влево на 60 градусов, затем снова вправо на 60 градусов: зигзаг. шаблон. Название «кресло» описывает путь, который перед повторением проходит дважды влево, затем дважды вправо. Эта дорожка предположительно немного похожа на кресло, отсюда и название. Третий тип, хиральный, находится между этими двумя формами вместе со своим зеркальным отображением.

Если бы можно было взять нож и дважды разрезать эти трубки по горизонтали относительно продольной оси, можно было бы получить «пояс» нанотрубок, состоящий из 12 углеродных шестиугольных колец. Такой пояс называется «нанолентой».

Усилия по производству этих нанолент были предметом многочисленных научных исследований. Это связано с ограничениями обычного производства нанотрубок, которое принимает так называемую «нисходящую» форму. Нисходящее производство включает в себя измельчение основной массы углерода в порошок, после чего нанотрубки произвольно формируют себя в один или несколько из трех типов конфигурации.

«Проблема здесь в том, что вы не можете контролировать, какой тип конфигурации формируется, или диаметр, или даже длину, », – сказал Ясутомо Сегава из Института молекулярных наук при NINS. Автор статьи. «Но если вы можете построить нанотрубку снизу вверх, из« семени »нанопояса, тогда вы будете контролировать все эти три аспекта».

Предыдущие исследования 2019 года позволили создать кресельные и хиральные наноленты, но не третий тип – зигзагообразные.

И теперь исследователи впервые смогли сформировать зигзагообразный нанопояс. Ключом к стратегии синтеза нанолент было соединение гексагональных колец атомом кислорода (добавление оксанорборнадиенового звена). Затем они смогли использовать рентгеновскую кристаллографию, чтобы подтвердить, что эта структура, предсказанная теоретическими расчетами, действительно формируется в реальном мире.

Благодаря этому третьему синтезу нанолент, теперь доступны все три типа нанотрубок – кресельные, хиральные и зигзагообразные. Это большой шаг на пути к восходящему синтезу углеродных нанотрубок на заказ.

Следующий шаг – довести это доказательство концепции до фактического структурно-селективного восходящего синтеза углеродных нанотрубок, используя синтез углеродных нанотрубок с использованием их нанолент в качестве зародышей.

Источник: https://www.nins.jp/en/[19459007visible