Les nanotubes organiques (ONT) sont des nanostructures tubulaires composées de molécules organiques qui ont des propriétés uniques et ont trouvé diverses applications, tels que les matériaux électroconducteurs et le photovoltaïque organique. Un groupe de scientifiques de l'Université de Nagoya a développé une méthode simple et efficace pour la formation d'ONT covalentes robustes à partir de molécules simples. Cette méthode devrait être utile pour générer une gamme de matériaux à base de nanotubes avec des propriétés souhaitables.

Kaho Maeda, Dr Hideto Ito, Professeur Kenichiro Itami du JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project et de l'Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM) de l'Université de Nagoya, et leurs collègues ont rapporté dans le Journal de l'American Chemical Society , sur le développement d'une nouvelle stratégie simple, « helix-to-tube » pour synthétiser des nanotubes organiques covalents.

Les nanotubes organiques (ONT) sont des molécules organiques à nanostructures tubulaires. Les nanostructures sont des structures comprises entre 1 nm et 100 nm, et les ONT ont une cavité de taille nanométrique. Diverses applications des ONT ont été signalées, y compris les matériaux de reconnaissance moléculaire, canal ionique transmembranaire/capteurs, matériaux électroconducteurs, et le photovoltaïque organique. La plupart des ONT sont construits par un processus d'auto-assemblage basé sur de faibles interactions non covalentes telles que des liaisons hydrogène, interactions hydrophobes et interactions π-π entre cycles aromatiques. En raison de ces interactions relativement faibles, la plupart des ONT non covalents possèdent une structure relativement fragile (Figure 1).

ONT covalents, dont les squelettes tubulaires sont réticulés par liaison covalente (une liaison faite par partage d'électrons entre atomes) pourraient être synthétisés à partir d'ONT non covalents. Alors que les ONT covalents présentent une stabilité et une résistance mécanique plus élevées que les ONT non covalents, la stratégie générale de synthèse pour les ONT covalentes n'avait pas encore été établie (Figure 2).

Une équipe dirigée par Hideto Ito et Kenichiro Itami a réussi à développer une méthode simple et efficace pour la synthèse d'ONT covalents robustes (tube) par une irradiation lumineuse opérationnellement simple d'un polymère hélicoïdal facilement accessible (hélice). Cette stratégie dite « hélice-to-tube » repose sur les étapes suivantes :1) polymérisation d'une petite molécule (monomère) pour faire un polymère hélicoïdal suivie de, 2) la réticulation induite par la lumière à des pas répétés longitudinalement sur toute l'hélice pour former des nanotubes covalents (figure 3).

Avec leur stratégie, l'équipe a conçu et synthétisé des polymères hélicoïdaux à base de diacétylène (les acétylènes sont des molécules qui contiennent des triples liaisons carbone-carbone), poly(m-phénylène dithynylène)s (poly-PDE), qui a des chaînes latérales d'amide chiral capables d'induire un repliement hélicoïdal par le biais d'interactions de liaison hydrogène (Figure 4).

Les chercheurs ont révélé que la réticulation induite par la lumière au niveau 1, aligné longitudinalement Les fragments 3-butadiyne (un groupe de molécules qui contiennent quatre carbones avec des triples liaisons aux premier et troisième carbones) pourraient générer l'ONT covalent souhaité. "C'est la première fois au monde à montrer que la réaction de polymérisation photochimique des diynes est applicable à la réaction de réticulation d'un polymère hélicoïdal, " dit Maeda, un étudiant diplômé qui a principalement mené les expériences.

La méthode "hélice-à-tube" devrait être capable de générer une gamme de matériaux à base d'ONT en changeant simplement l'unité arène (anneau aromatique) dans le monomère.

"L'une des parties les plus difficiles de cette recherche était de savoir comment obtenir des preuves scientifiques sur les structures des poly-PDE et des ONT covalentes, " dit Ito, l'un des chefs de file de cette étude. « Nous avions peu d'expérience avec l'analyse des polymères et des macromolécules comme les ONT. Heureusement, grâce au soutien de nos collaborateurs de l'Université de Nagoya, spécialistes de ces domaines de recherche particuliers, nous avons finalement réussi à caractériser ces macromolécules par diverses techniques dont la spectroscopie, Diffraction des rayons X, et microscopie."

« Bien qu'il nous ait fallu environ un an pour synthétiser l'ONT covalente, il a fallu encore un an et demi pour déterminer la structure du nanotube, " dit Maeda. " J'étais extrêmement excité quand j'ai vu pour la première fois les images de microscopie électronique à transmission (MET), qui indiquait que nous avions effectivement réalisé l'ONT covalent que nous attendions, " poursuit-elle.

"La meilleure partie de la recherche pour moi a été de découvrir que la réticulation photochimique avait eu lieu sur l'hélice pour la première fois, " dit Maeda. " De plus, on sait que la réticulation photochimique se produit généralement en phase solide, mais nous avons pu montrer que la réaction a également lieu en phase de solution. Comme les réactions n'ont jamais été réalisées auparavant, J'étais dubitatif au début, mais c'était un sentiment merveilleux de réussir à faire fonctionner la réaction pour la première fois au monde. Je peux dire avec certitude que c'était un moment où j'ai vraiment trouvé la recherche intéressante."

« Nous étions vraiment ravis de développer cette méthode simple mais puissante pour réaliser la synthèse d'ONT covalents, " dit Itami, le directeur du projet JST-ERATO et le directeur du centre ITbM. "La méthode "hélice-à-tube" permet une conception au niveau moléculaire et conduira à la synthèse de divers ONT covalents avec des diamètres et des longueurs de tube fixes avec des fonctionnalités souhaitables."

« Nous envisageons que les progrès en cours dans la méthode « hélice-à-tube » pourraient conduire au développement de divers matériaux à base d'ONT, notamment des matériaux électroconducteurs et des matériaux luminescents, " dit Ito. " Nous menons actuellement des travaux sur la méthodologie " helix-to-tube " et nous espérons synthétiser des ONT covalentes avec des propriétés intéressantes pour diverses applications. "