Nanocinto de carbono. Crédito:Universidade de Nagoya
Químicos tentaram sintetizar nanocaixas de carbono por mais de 60 anos, mas nenhum teve sucesso até agora. Uma equipe da Universidade de Nagoya relatou a primeira síntese orgânica de um nanobelt de carbono em Ciência . Espera-se que os nanobelts de carbono sirvam como um modelo útil para a construção de nanotubos de carbono e abram um novo campo da ciência do nanocarbono.
O novo nanobelt, medindo 0,83 nanômetro (nm) de diâmetro, foi desenvolvido por pesquisadores do Projeto de Nanocarbono Molecular JST-ERATO Itami da Universidade de Nagoya, e o Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM). Cientistas de todo o mundo tentam sintetizar nanoceltos de carbono desde a década de 1950 e o grupo do professor Kenichiro Itami trabalha nessa síntese há 12 anos.
“Ninguém sabia se a sua síntese orgânica era possível ou não, "diz Segawa, um dos líderes deste estudo que esteve envolvido em sua síntese por 7 anos e meio. "Contudo, Eu estava pensando na síntese desta linda molécula. "
Nanobelts de carbono são moléculas em forma de cinto compostas por anéis de benzeno fundidos, que são anéis aromáticos que consistem em seis átomos de carbono. Nanobelts de carbono são um segmento de nanotubos de carbono, que têm várias aplicações em eletrônica e fotônica devido às suas características físicas únicas.
Os métodos sintéticos atuais produzem nanotubos de carbono com diâmetros e estruturas de parede lateral inconsistentes, que muda suas propriedades elétricas e ópticas. Isso torna extremamente difícil isolar e purificar um único nanotubo de carbono com um diâmetro específico, comprimento e estrutura das paredes laterais. Portanto, ser capaz de controlar com precisão a síntese de nanotubos de carbono estruturalmente uniformes ajudará a desenvolver materiais novos e altamente funcionais.
Figura 1. Nanotubos de carbono que possuem diâmetros e estruturas de parede lateral diferentes. Crédito:Universidade de Nagoya
Os nanobelts de carbono foram identificados como uma forma de construir nanotubos de carbono estruturalmente uniformes. Contudo, sintetizar nanobelts de carbono é um desafio devido às suas energias de deformação extremamente altas. Isso ocorre porque o benzeno é estável quando plano, mas torna-se instável quando são distorcidos pela fusão dos anéis.
Para superar esse problema, Guillaume Povie, um pesquisador de pós-doutorado do projeto JST-ERATO, Yasutomo Segawa, um líder de grupo do projeto JST-ERATO, e Kenichiro Itami, o diretor do projeto JST-ERATO e o diretor do centro da ITbM, conseguiram a primeira síntese química de um nanocinto de carbono a partir de um precursor prontamente disponível, p-xileno (uma molécula de benzeno com dois grupos metil no 1, 4- (para-) posição) em 11 etapas.
A chave para este sucesso é sua estratégia sintética baseada na formação em forma de correia a partir de um precursor de macrociclo com tensão de anel relativamente baixa. Em sua estratégia, a equipe preparou um precursor de macrociclo de p-xileno em 10 etapas, e formou o composto aromático em forma de correia por uma reação de acoplamento (Fig. 3). O níquel foi essencial para mediar o processo de acoplamento.
"A parte mais difícil desta pesquisa foi esta reação de acoplamento chave do precursor do macrociclo, "diz Povie." A reação não foi bem dia após dia e levei de três a quatro meses para testar várias condições. Sempre acreditei onde há vontade, há uma maneira. "
Figura 2. Estratégia geral para o crescimento de nanotubos de carbono usando um nanocinto de carbono como modelo. Crédito:Universidade de Nagoya
Em 2015, Itami lançou uma nova iniciativa em seu projeto ERATO para focar particularmente na síntese do nanocinto de carbono. No chamado "festival do cinto, "várias novas rotas sintéticas para o nanocinto de carbono foram propostas e mais de 10 pesquisadores estiveram envolvidos no projeto. Em 28 de setembro, 2016, exatamente um ano após o início do festival, a estrutura do nanobelt de carbono foi finalmente revelada por cristalografia de raios-X na frente dos membros do grupo Itami. Todos prenderam a respiração enquanto olhavam para a tela durante a análise de raios-X, e aplaudiram quando a imagem de forma cilíndrica do nanocinto de carbono apareceu na tela. Itami, Segawa e Povie expressaram sua alegria com um mais cinco.
"Foi um dos momentos mais emocionantes da minha vida e nunca vou esquecê-lo, "diz Itami." Uma vez que este é o resultado de um estudo de uma década, Agradeço imensamente a todos os antigos e atuais membros do meu grupo por seu apoio e incentivo. Graças à habilidade deles, dureza, bom senso e forte vontade de todos os membros, alcançamos este resultado de sucesso. "
Figura 3. Abordagem sintética para o nanocelt de carbono de p-xileno em 11 etapas. Crédito:Universidade de Nagoya
O nanocinto de carbono sintetizado é um sólido de cor vermelha e exibe fluorescência vermelha profunda. A análise por cristalografia de raios-X revelou que o nanobelt de carbono tem uma forma cilíndrica da mesma maneira que os nanotubos de carbono (Fig. 4). Os pesquisadores também mediram sua absorção e emissão de luz, condutividade elétrica e rigidez estrutural por fluorescência de absorção ultravioleta-visível, e estudos espectroscópicos Raman, bem como cálculos teóricos.
"Na realidade, a parte de síntese foi concluída em agosto passado, mas não pude descansar até que fui capaz de confirmar a estrutura de raios-X do nanobelt de carbono, "diz Povie." Fiquei muito feliz quando vi a estrutura de raios-X. "
Figura 4. A partir da esquerda:estrutura de raios-X do nanobelt de carbono, cristais de nanocinto de carbono sob a luz ambiente, e sob luz ultravioleta. Crédito:Universidade de Nagoya
O nanobelt de carbono será lançado no mercado no futuro. "Estamos ansiosos para descobrir novas propriedades e funcionalidades do nanocinto de carbono com pesquisadores de todo o mundo, "dizem Segawa e Itami.
