中國粉體網(wǎng)訊 化學(xué)家嘗試合成碳納米帶的研究已經(jīng)超過了60年，但至今仍沒有成功。名古屋大學(xué)的一個小組在科學(xué)雜志中報告了碳納米帶的首次有機(jī)合成。預(yù)計碳納米帶能夠用來構(gòu)建碳納米管，這開辟了一個新的納米碳科學(xué)研究領(lǐng)域。
圖中展示的為碳納米帶。 榮譽(yù)：名古屋大學(xué)
名古屋大學(xué)JST-ERATO伊丹分子納米碳工程研究所和生物分子轉(zhuǎn)化研究所（ITbM）共同開發(fā)出了直徑為0.83納米（nm）的全新納米帶。自二十世紀(jì)五十年代以來，世界各地的科學(xué)家一直在努力合成碳納米帶，其中伊藤仁一郎教授的團(tuán)隊研究其合成已經(jīng)進(jìn)行了12年。
Segawa是該研究團(tuán)隊的一名領(lǐng)導(dǎo)者，并且參與其合成已經(jīng)有了七年半之久，說道：“沒有人知道其有機(jī)合成是否能夠成功，然而，我對這個神秘的分子合成傾注了很多心血�！�
碳納米帶是由稠合苯環(huán)構(gòu)成的帶狀分子，而該笨環(huán)是由6個碳原子構(gòu)成的芳香環(huán)。碳納米帶是碳納米管的一部分，由于其獨(dú)特的物理特性，它們在電子和光子學(xué)中具有許多不同的應(yīng)用。
當(dāng)前的合成方法產(chǎn)生的碳納米管具有不均勻的直徑和側(cè)壁結(jié)構(gòu)，這可以改變它們的光電性質(zhì)。這些使得分離和純化具有特定直徑、長度和側(cè)壁結(jié)構(gòu)的單個碳納米管非常困難。因此，能夠精確控制結(jié)構(gòu)均勻的碳納米管的合成將有助于開發(fā)新型和高功能的材料。
圖1.具有不同直徑和側(cè)壁結(jié)構(gòu)的碳納米管。 榮譽(yù)：名古屋大學(xué)
碳納米帶已被提出用來構(gòu)建結(jié)構(gòu)均勻的碳納米管。然而，由于其非常高的應(yīng)變能，使得合成碳納米帶具有一些挑戰(zhàn)。這是因?yàn)楸皆谥辨湑r是穩(wěn)定的，但是當(dāng)它們經(jīng)受環(huán)的融合扭曲時就會變得不穩(wěn)定。
為了克服這個問題，JST-ERATO項目的博士后研究員Guillaume Povie與JST-ERATO項目的組長Yasutomo Segawa和JST-ERATO項目主管兼ITbM中心主任Kenamiiro Itami共同從易于獲得的前體，成功地對二甲苯（在1,4-（對 - 位）中具有兩個甲基的苯分子）進(jìn)行的11個步驟中首次化學(xué)合成碳納米帶。
這一合成成功的關(guān)鍵在于其利用具有相對低的環(huán)形應(yīng)變的大環(huán)前體進(jìn)行了帶狀形成。在他們的合成方法中，團(tuán)隊用10個步驟起初對二甲苯制備了大環(huán)前體，并通過偶聯(lián)反應(yīng)形成了帶狀芳族化合物（圖3）。 其中鎳對于調(diào)節(jié)耦合過程至關(guān)重要。
Povie說：“這個研究中最困難的部分是大環(huán)前體的關(guān)鍵耦合反應(yīng)。 這個反應(yīng)日復(fù)一日，我花了三到四個月的時間來測試各種條件，我一直相信有志者事竟成。”
圖2.是使用碳納米帶作為模板的碳納米管生長的常用方法。榮譽(yù)：名古屋大學(xué)
2015年，伊丹在其ERATO項目中發(fā)起了一項新設(shè)想，其中特別關(guān)注碳納米管的合成。在俗稱的“腰帶節(jié)”中，10多名研究人員參與了該項目并提出了碳納米管各種新的合成方法。2016年9月28日，即節(jié)日后的一年，碳納米管結(jié)構(gòu)終于在伊藤集團(tuán)成員面前通過X光晶體學(xué)被揭示。在X射線分析期間，每個人都盯著屏幕呼吸，當(dāng)碳納米管的圓柱形狀圖像出現(xiàn)在屏幕上時，他們歡呼了起來。 伊丹、Segawa和Povie共同擊掌來表示他們的喜悅。
“這是我一生中最激動人心的時刻，我永遠(yuǎn)不會忘記它，”伊丹說，“由于這是長達(dá)十年的研究成果，我非常感謝所有過去和現(xiàn)在小組成員的支持和鼓勵，感謝所有成員的努力、韌性、意志和堅持，我們最終取得了成功。”
圖3.二甲苯合成碳納米帶的11個步驟。榮譽(yù)：名古屋大學(xué)
合成的碳納米帶是一種紅色固體并且?guī)в猩罴t色的熒光。通過X射線晶體學(xué)分析顯示，碳納米帶具有與碳納米管相同的圓柱形形狀（如圖4所示）。研究人員還通過紫外 - 可見吸收熒光和拉曼光譜研究以及理論計算測量了它的光吸收和發(fā)射，電導(dǎo)率和結(jié)構(gòu)剛度。
“實(shí)際上，合成部分于去年8月份完成，但是無法確定碳納米管的X射線結(jié)構(gòu)，”Povie說，“當(dāng)我看到X光結(jié)構(gòu)時，我真的很興奮。”
圖4.從左到右依次是碳納米管的X-射線結(jié)構(gòu)、室內(nèi)光下的碳納米管晶體、紫外光下的碳納米管晶體。榮譽(yù)：名古屋大學(xué)
碳納米管將在未來發(fā)布應(yīng)用于市場。Segawa和Itami說：“我們期待與來自世界各地的研究人員一同探究碳納米管的新特性和新功能�！�
