Nanoceinture de carbone. Crédit :Université de Nagoya
Les chimistes tentent de synthétiser des nanoceintures de carbone depuis plus de 60 ans, mais aucun n'a réussi jusqu'à présent. Une équipe de l'Université de Nagoya a signalé la première synthèse organique d'une nanoceinture de carbone dans Science . Les nanoceintures de carbone devraient servir de modèle utile pour la construction de nanotubes de carbone et ouvrir un nouveau domaine de la science des nanocarbones.
La nouvelle nanoceinture, mesurant 0,83 nanomètre (nm) de diamètre, a été développé par des chercheurs du projet JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon de l'Université de Nagoya, et l'Institut des biomolécules transformatrices (ITbM). Des scientifiques du monde entier tentent de synthétiser des nanoceintures de carbone depuis les années 1950 et le groupe du professeur Kenichiro Itami travaille sur sa synthèse depuis 12 ans.
"Personne ne savait si sa synthèse organique était même possible ou non, " dit Segawa, l'un des responsables de cette étude qui avait participé à sa synthèse pendant 7 ans et demi. "Toutefois, J'avais en tête la synthèse de cette belle molécule."
Les nanoceintures de carbone sont des molécules en forme de ceinture composées d'anneaux de benzène fusionnés, qui sont des cycles aromatiques constitués de six atomes de carbone. Les nanoceintures de carbone sont un segment de nanotubes de carbone, qui ont diverses applications en électronique et en photonique en raison de leurs caractéristiques physiques uniques.
Les méthodes de synthèse actuelles produisent des nanotubes de carbone avec des diamètres et des structures de parois latérales incohérents, ce qui modifie leurs propriétés électriques et optiques. Cela rend extrêmement difficile l'isolement et la purification d'un seul nanotube de carbone ayant un diamètre spécifique, longueur et structure des flancs. Par conséquent, être capable de contrôler avec précision la synthèse de nanotubes de carbone structurellement uniformes aidera à développer des matériaux nouveaux et hautement fonctionnels.
Figure 1. Nanotubes de carbone qui ont des diamètres et des structures de parois latérales différents. Crédit :Université de Nagoya
Les nanoceintures de carbone ont été identifiées comme un moyen de construire des nanotubes de carbone structurellement uniformes. Cependant, la synthèse de nanoceintures de carbone est un défi en raison de leurs énergies de déformation extrêmement élevées. C'est parce que le benzène est stable lorsqu'il est plat, mais devient instable lorsqu'ils sont déformés par fusion des anneaux.
Pour surmonter ce problème, Guillaume Povie, chercheur postdoctoral du projet JST-ERATO, Yasutomo Segawa, un chef de groupe du projet JST-ERATO, et Kenichiro Itami, le directeur du projet JST-ERATO et le directeur du centre ITbM, ont réussi la première synthèse chimique d'une nanoceinture de carbone à partir d'un précurseur facilement disponible, p-xylène (une molécule de benzène avec deux groupes méthyle dans le 1, 4- (para-) position) en 11 étapes.
La clé de ce succès est leur stratégie de synthèse basée sur la formation en forme de ceinture à partir d'un précurseur de macrocycle avec une contrainte annulaire relativement faible. Dans leur stratégie, l'équipe a préparé un précurseur de macrocycle à partir de p-xylène en 10 étapes, et formé le composé aromatique en forme de ceinture par une réaction de couplage (Fig. 3). Le nickel était essentiel pour arbitrer le processus de couplage.
"La partie la plus difficile de cette recherche a été cette réaction de couplage clé du précurseur du macrocycle, " dit Povie. " La réaction ne s'est pas bien déroulée jour après jour et il m'a fallu trois à quatre mois pour tester diverses conditions. J'ai toujours cru où il y a une volonté, il y a un moyen."
Figure 2. Stratégie générale pour la croissance des nanotubes de carbone en utilisant une nanoceinture de carbone comme modèle. Crédit :Université de Nagoya
En 2015, Itami a lancé une nouvelle initiative dans son projet ERATO pour se concentrer particulièrement sur la synthèse de la nanoceinture de carbone. Au soi-disant "festival de la ceinture, « Différentes nouvelles voies de synthèse pour la nanoceinture de carbone ont été proposées et plus de 10 chercheurs ont été impliqués dans le projet. Le 28 septembre, 2016, exactement un an après le début du festival, la structure de la nanoceinture de carbone a finalement été révélée par cristallographie aux rayons X devant les membres du groupe Itami. Tout le monde a retenu son souffle en regardant l'écran pendant l'analyse aux rayons X, et applaudi lorsque l'image de forme cylindrique de la nanoceinture de carbone est apparue à l'écran. Itami, Segawa et Povie ont exprimé leur joie avec un high five.
"C'était l'un des moments les plus excitants de ma vie et je ne l'oublierai jamais, " dit Itami. " Puisque c'est le résultat d'une étude de dix ans, J'apprécie grandement tous les membres passés et actuels de mon groupe pour leur soutien et leurs encouragements. Grâce à leur savoir-faire, dureté, le bon sens et la forte volonté de tous les membres, nous avons obtenu ce résultat positif."
Figure 3. Approche synthétique vers la nanoceinture de carbone à partir de p-xylène en 11 étapes. Crédit :Université de Nagoya
La nanoceinture de carbone synthétisée est un solide de couleur rouge et présente une fluorescence rouge foncé. L'analyse par cristallographie aux rayons X a révélé que la nanoceinture de carbone a une forme cylindrique de la même manière que les nanotubes de carbone (Fig. 4). Les chercheurs ont également mesuré son absorption et son émission lumineuses, conductivité électrique et rigidité structurelle par fluorescence d'absorption ultraviolet-visible, et études spectroscopiques Raman, ainsi que des calculs théoriques.
"Réellement, la partie synthèse s'est terminée en août dernier mais je n'ai pas pu me reposer jusqu'à ce que j'aie pu confirmer la structure aux rayons X de la nanoceinture de carbone, " dit Povie. " J'étais vraiment heureux quand j'ai vu la structure aux rayons X. "
Figure 4. À partir de la gauche :structure aux rayons X de la nanoceinture de carbone, cristaux de nanoceinture de carbone sous la lumière ambiante, et sous lumière UV. Crédit :Université de Nagoya
La nanoceinture de carbone sera commercialisée à l'avenir. "Nous sommes impatients de découvrir de nouvelles propriétés et fonctionnalités de la nanoceinture de carbone avec des chercheurs du monde entier, " disent Segawa et Itami.
