Nanotubos orgânicos (ONTs) são nanoestruturas tubulares compostas de moléculas orgânicas que têm propriedades únicas e encontraram várias aplicações, como materiais eletrocondutores e fotovoltaicos orgânicos. Um grupo de cientistas da Universidade de Nagoya desenvolveu um método simples e eficaz para a formação de ONTs covalentes robustos a partir de moléculas simples. Espera-se que este método seja útil na geração de uma variedade de materiais à base de nanotubos com propriedades desejáveis.

Kaho Maeda, Dr. Hideto Ito, Professor Kenichiro Itami do Projeto de Nanocarbono Molecular JST-ERATO Itami e do Instituto de Biomoléculas Transformativas (ITbM) da Universidade de Nagoya, e seus colegas relataram no Jornal da American Chemical Society , no desenvolvimento de uma estratégia nova e simples, "hélice para tubo" para sintetizar nanotubos orgânicos covalentes.

Nanotubos orgânicos (ONTs) são moléculas orgânicas com nanoestruturas tubulares. Nanoestruturas são estruturas que variam entre 1 nm e 100 nm, e os ONTs têm uma cavidade do tamanho de um nanômetro. Várias aplicações de ONTs foram relatadas, incluindo materiais de reconhecimento molecular, canal / sensores de íons transmembrana, materiais eletrocondutores, e fotovoltaica orgânica. A maioria dos ONTs são construídos por um processo de automontagem com base em interações não covalentes fracas, como ligações de hidrogênio, interações hidrofóbicas e interações π-π entre anéis aromáticos. Devido a essas interações relativamente fracas, a maioria dos ONTs não covalentes possui uma estrutura relativamente frágil (Figura 1).

ONTs covalentes, cujos esqueletos tubulares são reticulados por ligação covalente (uma ligação feita pelo compartilhamento de elétrons entre átomos) poderiam ser sintetizados a partir de ONTs não covalentes. Embora os ONTs covalentes mostrem maior estabilidade e resistência mecânica do que os ONTs não covalentes, a estratégia geral de síntese para ONTs covalentes ainda não foi estabelecida (Figura 2).

Uma equipe liderada por Hideto Ito e Kenichiro Itami conseguiu desenvolver um método simples e eficaz para a síntese de ONTs covalentes robustos (tubo) por uma irradiação de luz operacionalmente simples de um polímero helicoidal (hélice) prontamente acessível. Esta estratégia chamada "hélice-tubo" é baseada nas seguintes etapas:1) polimerização de uma pequena molécula (monômero) para fazer um polímero helicoidal seguido por, 2) reticulação induzida por luz em passos de repetição longitudinal em toda a hélice para formar nanotubos covalentes (Figura 3).

Com sua estratégia, a equipe projetou e sintetizou polímeros helicoidais à base de diacetileno (acetilenos são moléculas que contêm ligações triplas carbono-carbono), poli (m-fenileno dietinileno) s (poli-PDEs), que tem cadeias laterais de amida quirais que são capazes de induzir um dobramento helicoidal por meio de interações de ligações de hidrogênio (Figura 4).

Os pesquisadores revelaram que a reticulação induzida pela luz no alinhamento longitudinal 1, Porções 3-butadiino (um grupo de moléculas que contêm quatro carbonos com ligações triplas no primeiro e no terceiro carbonos) podem gerar o ONT covalente desejado. "Esta é a primeira vez no mundo que mostra que a reação fotoquímica de polimerização de diinas é aplicável à reação de reticulação de um polímero helicoidal, "diz Maeda, um estudante de graduação que conduziu principalmente os experimentos.

Espera-se que o método "hélice para tubo" seja capaz de gerar uma variedade de materiais baseados em ONT simplesmente mudando a unidade de areno (anel aromático) no monômero.

"Uma das partes mais difíceis desta pesquisa foi como obter evidências científicas sobre as estruturas de poli-PDEs e ONTs covalentes, "diz Ito, um dos líderes deste estudo. "Tínhamos pouca experiência com a análise de polímeros e macromoléculas como ONTs. Felizmente, graças ao apoio de nossos colaboradores na Universidade de Nagoya, que são especialistas nesses campos de pesquisa específicos, finalmente conseguimos caracterizar essas macromoléculas por várias técnicas, incluindo espectroscopia, Difração de raios-X, e microscopia. "

"Embora tenhamos levado cerca de um ano para sintetizar o ONT covalente, demorou mais um ano e meio para determinar a estrutura do nanotubo, "diz Maeda." Fiquei extremamente animado quando vi pela primeira vez as imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM), que indicou que tínhamos realmente feito o ONT covalente que esperávamos, "ela continua.

"A melhor parte da pesquisa para mim foi descobrir que a reticulação fotoquímica ocorreu na hélice pela primeira vez, "diz Maeda." Além disso, a reticulação fotoquímica é conhecida por ocorrer geralmente na fase sólida, mas pudemos mostrar que a reação também ocorre na fase de solução. Como as reações nunca foram realizadas antes, Eu estava duvidoso no começo, mas foi uma sensação maravilhosa conseguir fazer a reação funcionar pela primeira vez no mundo. Posso dizer com certeza que este foi um momento em que realmente achei a pesquisa interessante. "

"Estamos muito entusiasmados em desenvolver este método simples, mas poderoso, para alcançar a síntese de ONTs covalentes, "diz Itami, o diretor do projeto JST-ERATO e o diretor do centro da ITbM. "O método" hélice para tubo "permite o projeto de nível molecular e levará à síntese de vários ONTs covalentes com diâmetros fixos e comprimentos de tubo com funcionalidades desejáveis."

"Prevemos que os avanços contínuos no método" hélice para tubo "podem levar ao desenvolvimento de vários materiais baseados em ONT, incluindo materiais eletrocondutores e materiais luminescentes, "diz Ito." Atualmente estamos realizando um trabalho na metodologia "hélice para tubo" e esperamos sintetizar ONTs covalentes com propriedades interessantes para várias aplicações. "