日合成具有拓扑基础结构的分子纳米碳

  由日本名古屋大学教授、ERATO伊丹分子纳米碳项目总研究负责人伊丹健一郎等人组成的研究小组,成功合成了具有纽结和索烃的分子纳米碳,纽结和索烃是拓扑的基础结构。

  人类从1960年代开始合成被称为纽结(Knot)和索烃(Catenane)的分子。近年来,其在分子机器(纳米尺寸的机器)方面的应用备受期待。在以往的普通合成法中,无法仅利用碳骨架形成纽结和索烃结构,需要导入氮原子和氧原子等,以此为基础诱导拓扑结构。因此,要想合成具备纽结和索烃的分子纳米碳,就需要开发新的合成方法。

  碳纳米管的部分结构——分子纳米碳“环对苯撑”是仅由苯构成的直径约为1纳米的环状分子。研究小组认为,通过在合成环对苯撑的过程中,将硅原子用作“临时固定位点”,可以导入纽结和索烃。硅能在后期通过氟处理去除,最终可以获得仅由碳骨架构成的纽结和索烃。他们设计了拥有两个硅原子的前体作为临时固定位点,合成了具有纽结的拓扑分子纳米碳“全苯结”。全苯结的合成难度更高,被称为“不可能的分子”。

  他们还通过科学计算证明存在碳纳米环(环状纳米碳),其部分结构为此次合成的全苯结,这表明,实现全苯结是向合成拓扑纳米碳迈出的重要一步。

  此次研究成果为开发拥有复杂几何结构的新纳米碳材料开辟了道路,相关论文发表于近日的《科学》网络版上。

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