Stratégies pour synthétiser le nanographene. Crédit :Université de Nagoya
Les nanographenes suscitent un grand intérêt de la part de nombreux chercheurs en tant que candidat puissant pour la prochaine génération de matériaux carbonés en raison de leurs propriétés électriques uniques. Des scientifiques de l'Université de Nagoya ont maintenant développé un moyen rapide de former des nanographenes de manière contrôlée. Cette méthode simple et puissante pour la synthèse du nanographene pourrait aider à générer une gamme de nouveaux matériaux optoélectroniques, tels que les écrans électroluminescents organiques et les cellules solaires.
Un groupe de chimistes 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 développé une méthode simple et puissante pour synthétiser des nanographenes. Cette nouvelle approche, récemment décrit dans la revue Science , devrait conduire à des progrès significatifs dans la synthèse organique, science des matériaux et chimie catalytique.
Nanographenes, bandes de graphène unidimensionnelles de largeur nanométrique, sont des molécules composées d'unités benzéniques. Les nanographenes suscitent l'intérêt en tant que candidat puissant pour les matériaux de prochaine génération, y compris les matériaux optoélectroniques, en raison de leurs caractéristiques électriques uniques. Ces propriétés des nanographenes dépendent principalement de leur largeur, structures de longueur et de bord. Ainsi, des méthodes efficaces pour accéder aux nanographenes à contrôle structurel sont hautement souhaitables.
La synthèse idéale de nanographenes serait un assemblage de type « LEGO » d'unités de benzène pour définir le nombre et la forme exacts de la molécule. Cependant, cette approche directe n'est actuellement pas possible. L'équipe a développé une méthode alternative qui est simple et contrôle la structure du nanographene lors de sa formation en trois étapes clés.
Une nouvelle approche synthétique des nanographenes à partir du phénylène. Crédit :Université de Nagoya
D'abord, les dérivés benzéniques simples sont assemblés linéairement, par une réaction de couplage croisé. Puis, ces chaînes benzéniques sont reliées les unes aux autres par un catalyseur au palladium qui conduit à une molécule avec trois cycles benzéniques liés ensemble dans un plat, forme en forme de triangle. Ce processus se répète tout le long de la chaîne, fermeture efficace des anneaux ensemble.
L'innovation développée par l'équipe était une nouvelle façon d'atteindre l'étape intermédiaire qui forme l'unité en forme de triangle à trois anneaux qui forme le noyau des réactions ultérieures pour générer la molécule de nanographene. Une technique classique pour connecter des unités de benzène utilise des halogénures d'aryle comme réactifs de réaction. Les halogénures d'aryle sont des composés aromatiques dans lesquels un ou plusieurs atomes d'hydrogène liés à un cycle aromatique sont remplacés par des atomes d'halogène tels que le fluor (F), chlore (Cl), brome (Br), ou l'iode (I). Cela permet au benzène de se connecter en un seul point grâce à un processus appelé dimérisation, qui a été découvert par Fritz Ullmann et Jean Bielecki en 1901. Cependant, la réaction d'Ullmann ne génère pas de nanographenes lors de l'utilisation du composé phénylène comme matériau de départ.
L'équipe a découvert que l'utilisation d'un catalyseur au palladium permettait des connexions entre les unités de benzène en deux points, fournissant la structure triangulaire de trois cycles benzéniques. Un fragment triphénylène est formé au centre de chaque groupe de cycles.
"Cette découverte était tout à fait accidentelle, " déclare le professeur agrégé désigné Kei Murakami, un chimiste à l'Université de Nagoya et l'un des chefs de file de cette étude. "Nous pensons que cette réaction est la clé de cette nouvelle approche pour la synthèse du nanographene."
Synthèse d'un nanographene en 3 étapes à partir d'un simple dérivé benzénique. Crédit :Université de Nagoya
L'équipe a ensuite utilisé un processus appelé réaction de Scholl pour répéter ce processus et synthétiser avec succès une molécule de nanographene. La réaction se déroule de la même manière que les cycles benzéniques étant compressés, avec le fragment triphénylène agissant comme noyau.
"L'une des parties les plus difficiles de cette recherche a été d'obtenir des preuves scientifiques pour prouver les structures du dérivé de triphénylène et des molécules de nanographene, " dit Yoshito Koga, un étudiant diplômé qui a principalement mené les expériences. « Comme personne dans notre groupe n'a jamais manipulé de triphénylènes et de nanographenes auparavant, Je menais la recherche par le biais d'essais et d'erreurs. J'étais extrêmement excité lorsque j'ai vu pour la première fois le signal de spectrométrie de masse de la molécule souhaitée pour révéler la masse de la molécule via MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization), ce qui indiquait que nous avions effectivement réussi à fabriquer du nanographene de manière contrôlée. »
L'équipe avait déjà réussi à synthétiser divers dérivés du triphénylène, tels que des molécules comprenant 10 cycles benzéniques, naphtalène (une paire fusionnée de cycles benzéniques), atomes d'azote, et des atomes de soufre. Ces dérivés de triphénylène sans précédent pourraient potentiellement être utilisés dans les cellules solaires.
"L'approche pour créer des molécules fonctionnelles à partir d'unités benzéniques simples sera applicable à la synthèse non seulement du nanographene, mais aussi à divers autres matériaux nanocarbonés, " dit Murakami.
"Les nanographenes seront forcément utiles en tant que matériaux futurs, " dit le professeur Kenichiro Itami, directeur du projet JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project. "Nous espérons que notre découverte conduira à l'accélération de la recherche appliquée et fera progresser le domaine de la science du nanographene."
