Nopea ja tehokas menetelmä grafeenin nanoribbonin synteesille

LPG on nopea ja tehokas apu penikkatautiin. (Saattaa 2019).

Anonim

Nanographenien kiinnostus monien tutkijoiden kiinnostuksesta on voimakas ehdokas hiilimateriaalien seuraavalle sukupolvelle heidän ainutlaatuisten sähköisten ominaisuuksiensa ansiosta. Nagoyan yliopiston tutkijat ovat nyt kehittäneet nopean tavan muodostaa nanografeja hallitusti. Tämä yksinkertainen ja voimakas menetelmä nanograpetiinien synteesiin voisi auttaa luomaan valikoima uusia optoelektronisia materiaaleja, kuten orgaanisia elektroluminoivia näyttöjä ja aurinkokennoja.

Jago-ERATO Itami Molecular Nanocarbon -projektin ja Nagoyan yliopiston Transformational Bio-Molecules -instituutin (ITbM) kemistit ja niiden kollegat ovat kehittäneet yksinkertaisen ja tehokkaan menetelmän nanograafien syntetisoimiseksi. Tämä uusi tiedekirjallisuudessa äskettäin kuvattu uusi lähestymistavan odotetaan johtavan merkittävästi orgaaniseen synteesiin, materiaalitekniikkaan ja katalyyttiseen kemiaan.

Nanografiset, yksiulotteiset nanometrin laajuiset grafeenin nauhat ovat molekyylejä, jotka koostuvat bentseeniyksiköistä. Nanograafit kiinnostavat voimakkaasti seuraavan sukupolven materiaaleja, kuten optoelektronisia materiaaleja, niiden ainutlaatuisten sähköisten ominaisuuksien ansiosta. Nanograafien ominaisuudet riippuvat pääasiassa niiden leveydestä, pituudesta ja reuna-rakenteista. Näin ollen tehokkaat menetelmät rakenteellisesti ohjattujen nanografioiden käyttämiseksi ovat erittäin toivottavia.

Nanograafien ihanteellinen synteesi olisi "LEGO-kaltainen bentseeniyksiköiden kokoonpano määritellä molekyylin tarkka lukumäärä ja muoto. Tämä suora lähestymistapa ei kuitenkaan ole tällä hetkellä mahdollista. Tiimi kehitti vaihtoehtoisen menetelmän, joka on yksinkertainen ja ohjaa nanograafista rakennetta, koska se muodostaa kolmessa keskeisessä vaiheessa.

Ensinnäkin yksinkertaiset bentseenijohdannaiset kootaan lineaarisesti ristikytkentäreaktion kautta. Sitten nämä bentseeniketjut liitetään toisiinsa palladiumkatalyytillä, joka johtaa molekyyliin, jossa on kolme bentseenirenkaita, jotka on sidottu toisiinsa litteässä, kolmiomaisessa muodossa. Tämä prosessi toistuu koko ketjun ylös, tehokkaasti puristamalla renkaat yhteen.

Tiimin kehittämä innovaatio oli uusi tapa saavuttaa keskimmäinen askel, joka muodostaa kolmen rengas-kolmionmuotoisen yksikön, joka muodostaa ytimen lisäreaktioille nanografisen molekyylin tuottamiseksi. Klassinen tekniikka bentseeniyksiköiden liittämiseksi käyttää aryylihalogenideja reaktion reagensseina. Aryylihalidit ovat aromaattisia yhdisteitä, joissa yksi tai useampi vetyatomi, joka on sitoutunut aromaattiseen renkaaseen, on korvattu halogeeniatomilla, kuten fluori (F), kloori (Cl), bromi (Br) tai jodi (I). Tämä sallii bentseenin muodostamisen yhdeksi pisteeksi prosessilla, jota kutsutaan dimerisoinniksi, jonka Fritz Ullmann ja Jean Bielecki löysi vuonna 1901. Ullmannin reaktio ei kuitenkaan aiheuta nanografioita, kun käytetään lähtöaineena fenyleeniä.

Tiimi huomasi, että käyttämällä palladiumkatalyyttiä mahdollistivat bentseenin yksiköiden väliset yhteydet kahteen kohtaan, jolloin saatiin kolmesta kolmesta bentseenirenkaasta koostuva rakenne. Jokaisen renkaaseen keskellä muodostuu trifenyleeniosa.

"Tämä keksintö oli melko vahingossa", sanoo apulaisprofessori Kei Murakami, Nagoyan yliopiston kemisti ja yksi tämän tutkimuksen johtajista. "Uskomme, että tämä reaktio on avain tämän uuden lähestymistavan nanograafiseen synteesiin."

Joukkue käytti sitten prosessia nimeltä Scholl-reaktio toistaa tämän prosessin ja syntetisoida menestyksekkäästi nanograafisen molekyylin. Reaktio etenee samalla tavalla kuin bentseenirenkaiden ollessa vetoketjullisia, kun taas trifenyleeniryhmä toimii ytimenä.

"Yksi tämän tutkimuksen vaikeimmista osista oli saada tieteellisiä todisteita trifenyleenijohdannaisten ja nanograafisten molekyylien rakenteiden todentamiseksi", kertoo Yoshito Koga, joka on suorittanut kokeita pääasiassa. "Koska kukaan ryhmällämme ei ole koskaan käsitellyt aikaisemmin trifenyleenejä ja nanograafisia aineita, olin tutkimuksessa kokeilemalla ja erehdyksellä. Olin äärimmäisen innoissani, kun näin ensimmäisen kerran halutun molekyylin massaspektrometriasignaalin paljastaakseni massan molekyyli MALDI: n kautta (Matrix Assisted Laser Desorptio / Ionisoituminen), mikä osoitti, että meillä oli todella onnistunut nanograafisesti hallitsemaan. "

Tiimi oli jo onnistunut syntetisoimaan erilaisia ​​trifenyleenijohdannaisia, kuten molekyylejä, mukaan lukien 10 bentseenirenkaita, naftaleeniä (fuusioitunut bentseenirengaspari), typpiatomeja ja rikkiatomeja. Näitä ennennäkemättömiä trifenyleenijohdannaisia ​​voitaisiin mahdollisesti käyttää aurinkokennoissa.

"Yksinkertaisten bentseeniyksiköiden funktionaalisten molekyylien luomista koskeva lähestymistapa soveltuu sekä nanograafisen aineen synteesiin että erilaisiin muihin nanokarbonaattimateriaaleihin", Murakami sanoo.

"Nanografiat ovat varmasti hyödyllisiä tulevaisuuden materiaaleina", sanoo JST-ERATO Itamin molekyylin nanokarbonaattiprojektin johtaja professori Kenichiro Itami. "Toivomme, että löydöksemme johtaa sovelletun tutkimuksen nopeuttamiseen ja nanograafisen tieteen alalle."

menu
menu