Budowa jednorodnych strukturalnie cząsteczek nanowęgla ma kluczowe znaczenie dla rozwoju funkcjonalnych materiałów w nanotechnologii, elektronice, optyce i inżynierii biomedycznej. Ważnym narzędziem do osiągnięcia tego celu jest nauka o nanowęglach molekularnych, która polega na tworzeniu ich przy użyciu syntetycznej chemii organicznej. Dotychczas wyprodukowane nanowęgle molekularne mają jednak proste struktury, takie jak pierścień czy pasek.
Fizycy z Uniwersytetu w Nagoi pod kierownictwem prof. Kenichiro Itamiego po raz pierwszy w historii zsyntetyzowali nanowęgiel w kształce pasa o topologii wstęgi Möbiusa.
Węglowy nanopas Möbiusa był wymarzoną cząsteczką w środowisku naukowym po tym, jak w 2017 r. poinformowaliśmy o pierwszej chemicznej syntezie nanopasa węglowego – ultrakrótkiej nanorurki węglowej. Podobnie jak w przypadku pasków, których używamy na co dzień, wyobraziliśmy sobie, co stanie się z naszym “molekularnym paskiem”, gdy zostanie on skręcony. To kolejna niesamowicie piękna molekuła.prof. Kenichiro Itami
Taki skręcony węglowy nanopas Möbiusa powinien wykazywać zupełnie inne właściwości i ruchy molekularne w porównaniu z pasami o normalnej topologii.
Z naszej poprzedniej syntezy nanopasów węglowych wiemy, że energia odkształcenia jest największą przeszkodą w syntezie. Co więcej, dodatkowy skręt w strukturze pasa sprawia, że energia odkształcenia końcowej cząsteczki docelowej jest jeszcze wyższa. Kluczem do sukcesu w rzeczywistej syntezie był nasz projekt molekularny i szczegółowe zbadanie warunków reakcji.prof. Yasutomo Segawa, współautor badań
Węglowy nanopasek Möbiusa syntetyzowano w 14 etapach reakcji chemicznych, w tym w nowo opracowanej reakcji funkcjonalizacji. Analiza spektroskopowa i symulacja dynamiki molekularnej wykazały, że cząsteczka skrętu pasma Möbiusa szybko porusza się wokół cząsteczki węglowego nanoprętu Möbiusa w roztworze. Potwierdzono topologiczną chiralność układu.
Czytaj też: Nowy sposób wychwytywania CO2 z atmosfery zamienia go w węgiel w stałej postaci
Wcześniej nowe formy węgla otwierały drzwi do tworzenia całkiem nowych materiałów o często nieprzewidywalnych właściwościach i funkcjach. Praca opublikowana w Nature Synthesis jest pierwszą w swoim rodzaju i może doprowadzić do przełomowych odkryć.