Les chimistes de NUS ont développé une stratégie pour la synthèse atomiquement précise de nanoceintures de carbone (CNB) entièrement conjuguées à bords en zigzag. La molécule obtenue, connu sous le nom d'octabenzo[12]cyclacène, est reconnu comme l'un des premiers segments synthétiques entièrement caractérisés de bords en zigzag (12, 0) nanotube de carbone. Ces structures moléculaires ont été des cibles insaisissables pour les chimistes synthétiques au cours des 35 dernières années.

Les nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT) sont une classe spéciale de matériaux carbonés comprenant des feuilles de graphène dans une structure de tube creux avec des parois d'une épaisseur d'un atome. Ils sont considérés comme l'un des matériaux les plus prometteurs pour le développement de dispositifs nanoélectroniques de nouvelle génération. Cependant, les méthodes de production actuelles telles que la décharge à l'arc et la vaporisation laser, sont incapables d'obtenir une synthèse atomiquement précise des SWCNT, ce qui affecte leurs propriétés électriques et optiques. Comme méthode alternative, la recherche s'est concentrée sur les CNB qui sont des molécules en forme de ceinture constituées uniquement de cycles benzéniques fusionnés ensemble de manière circulaire. Ces molécules de CNB pourraient potentiellement servir de germe pour la croissance de nanotubes de carbone structurellement bien définis. Dans les années récentes, il y a eu un regain d'intérêt pour la synthèse organique ascendante des CNB. Des CNB avec différentes configurations telles que des bords en fauteuil et chiraux ont été synthétisés et entièrement caractérisés, respectivement. Cependant, la synthèse d'une configuration unique faisant intervenir les fragments de zigzag bordés (n, 0) Les NTC restent insaisissables (voir Figure (a)).

Une équipe de recherche dirigée par le professeur Chi Chunyan du département de chimie, Université nationale de Singapour, a développé une stratégie qui combine à la fois la stabilisation thermodynamique et la protection cinétique pour obtenir une synthèse atomiquement précise d'un bord en zigzag (12, 0) Segment SWCNT. La synthèse a été réalisée en utilisant l'addition Diels-Alder deux fois pour construire d'abord un précurseur sans souche, suivi d'une désoxygénation réductrice pour obtenir un pleinement conjugué, CNB tendu. Un concept connu sous le nom de benzo-annulation a été appliqué pour augmenter l'énergie de stabilisation de la résonance afin que la stabilité thermodynamique du composé final puisse être atteinte. Pendant ce temps, la fixation de substituants sur les bords en zigzag empêcherait cinétiquement les réactions de cycloaddition qui peuvent à l'origine détruire la structure du squelette conjugué.

L'équipe de recherche a utilisé plusieurs outils de caractérisation avancés pour étudier la structure de la molécule d'octabenzo[12]cyclacène qu'elle avait obtenue. En utilisant la diffraction des rayons X sur monocristal, ils ont découvert que la molécule adopte une géométrie cylindrique très symétrique (figures (c) et (d)), similaire à celle d'un nanotube de carbone. Une visualisation de la structure cristalline, un logiciel d'exploration et d'analyse (Mercury) a été utilisé pour mesurer le diamètre interne de cette nanoceinture qui est d'environ 9,2 Ångstrom. Les chercheurs ont également effectué une analyse de contrainte informatique sur la structure moléculaire et leurs résultats suggèrent que les groupes phényle sur les bords en zigzag jouent un rôle important dans la stabilité en empêchant d'autres réactions d'hydrogénation lors de la formation de la structure de la nanoceinture.

Le professeur Chi a dit, "Notre approche synthétique et notre stratégie de stabilisation développées dans ce travail peuvent ouvrir la voie à la construction de nouveaux types de nanostructures de carbone et de nanotubes de carbone pour diverses applications en électronique et en photonique."