L'obtention de nanocarbones structurellement uniformes afin de relier correctement la structure et la fonction, idéalement en tant que molécules uniques, est un grand défi dans le domaine de la science des nanocarbones. Ainsi, la construction de nanocarbones structurellement uniformes est cruciale pour le développement de matériaux fonctionnels dans les nanotechnologies, l'électronique, l'optique et les applications biomédicales. Un outil important pour atteindre cet objectif est la science des nanocarbones moléculaires, qui est une approche ascendante vers la création de nanocarbones à l'aide de la chimie organique synthétique. Cependant, les nanocarbones moléculaires synthétisés jusqu'à présent ont des structures simples, comme celle d'un anneau, d'un bol ou d'une ceinture. Afin de réaliser des nanocarbones inexplorés et théoriquement prédits, il est nécessaire de développer de nouvelles méthodologies de synthèse de nanocarbones moléculaires avec des structures plus complexes.

Maintenant, une équipe dirigée par Kenichiro Itami (professeur, Université de Nagoya), et Yasutomo Segawa (professeur associé, Institut des sciences moléculaires) et Yuh Hijikata, (professeur associé spécialement nommé, ICReDD) a synthétisé un nanocarbone moléculaire en forme de ceinture avec un Topologie de la bande de Möbius (c'est-à-dire une nanoceinture de carbone de Möbius) et ont publié leurs résultats dans Nature Synthesis .

"La nanoceinture de carbone de Möbius était une molécule de rêve dans la communauté scientifique après que nous ayons signalé la première synthèse chimique d'une nanoceinture de carbone - un nanotube de carbone ultra-court - en 2017. Tout comme les ceintures que nous utilisons tous les jours, nous avons imaginé ce qui arriverait à notre "ceinture moléculaire" lorsqu'il est serré avec une torsion. C'est une autre molécule incroyablement belle », déclare Kenichiro Itami, chef du groupe de recherche.

Une telle nanoceinture de carbone Möbius torsadée devrait manifester des propriétés et des mouvements moléculaires assez différents de ceux avec une topologie de ceinture normale. Cependant, créer cette torsion est plus facile à dire qu'à faire. "Nous savions, grâce à notre précédente synthèse de nanoceintures de carbone, que l'énergie de déformation est le plus grand obstacle à la synthèse. De plus, la torsion supplémentaire dans la structure de la ceinture rend l'énergie de déformation de la molécule cible finale encore plus élevée. La clé du succès dans le la véritable synthèse était notre conception moléculaire et l'examen détaillé des conditions de réaction », explique Yasutomo Segawa, co-responsable du projet.

La voie de synthèse rationnelle a été déterminée en utilisant l'analyse théorique de l'énorme souche dérivée à la fois de la forme de ceinture et de la structure moléculaire torsadée de la nanoceinture de carbone de Möbius. La nanoceinture de carbone de Möbius a été synthétisée en 14 étapes de réaction chimique, y compris une réaction de fonctionnalisation nouvellement développée, une séquence de réaction de Wittig sélective en Z et une réaction d'homocouplage médiée par le nickel induisant une contrainte. L'analyse spectroscopique et la simulation de la dynamique moléculaire révèlent que le fragment de torsion de la bande de Möbius se déplace rapidement autour de la molécule de nanoceinture de carbone de Möbius en solution. La chiralité topologique provenant de la structure de Möbius a été confirmée expérimentalement en utilisant la séparation chirale et la spectroscopie de dichroïsme circulaire.

Si l'on regarde en arrière dans l'histoire, de nouvelles formes de carbone et de nanocarbones ont constamment ouvert les portes à de nouvelles sciences et technologies et ont conduit à la découverte de propriétés, de fonctions et d'applications extraordinaires (et souvent imprévisibles). Le présent travail est une réalisation pionnière qui ouvre la voie au développement de matériaux nanocarbonés avec des structures topologiques complexes et à la naissance d'une science des matériaux innovante utilisant la topologie de Möbius. + Explorer plus loin

Synthèse d'une nanoceinture de carbone avec des applications potentielles en nanotechnologie