Een sjabloon voor snelle synthese van nanografenen

Een groep onderzoekers van de Nagoya University, Japan, heeft een nieuwe methode ontwikkeld voor het snel en efficiënt synthetiseren van nanografenen, een soort nanokoolstof met een groot potentieel als materiaal van de volgende generatie.

Nanografenen zijn de deelstructuren van grafeen, een vel koolstofatomen van ongeveer 3 nanometer dik met een bijzonder potentieel voor gebruik in de ontwikkeling van halfgeleiders, met een elektronenmobiliteit die honderden keren beter is dan materialen van de huidige generatie. Grafeen werd voor het eerst geïsoleerd in 2004, een ontdekking die in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde ontving, waardoor het een heel nieuw materiaal is en momenteel het onderwerp is van veel onderzoek.

Met magnetische en elektrische eigenschappen die verder gaan dan die van grafeen, zijn nanografenen even interessant voor wetenschappers op het gebied van nanokoolstofonderzoek. Het grootste obstakel, zij het een opwindende, waarmee onderzoekers worden geconfronteerd, is het enorme aantal potentiële nanografenen. Het aantal potentieel mogelijke nanografeenstructuren neemt toe met het aantal benzeenringen (6 koolstofatomen in een hexagonale formatie) om ze te maken. Zelfs een relatief kleine nanograaf met 10 benzeenringen kan bijvoorbeeld tot 16.000 varianten hebben. Omdat elk nanograafeen verschillende fysieke kenmerken heeft, is de sleutel tot toegepast nanografeenonderzoek het identificeren van de relatie tussen de structuur en kenmerken van zoveel mogelijk nanografenen.

Het is dus de taak van wetenschappers om een ​​nanograafenbibliotheek te creëren, die gegevens bevat over de eigenschappen van zoveel mogelijk nanografenen. De huidige methode van nanografeensynthese, bekend als een koppelingsreactie, is echter een meerstapsproces dat één enkele nanograafeen produceert. Om een ​​bibliotheek van 100 nanograaf te creëren, zouden dus 100 afzonderlijke koppelingsreacties moeten worden uitgevoerd. Zelfs dit zou een aanzienlijke onderneming zijn, waardoor de constructie van een werkelijk uitgebreide nanograafenbibliotheek praktisch onmogelijk wordt.

Om dit probleem op te lossen, heeft de onderzoeksgroep van de Universiteit van Nagoya, geleid door professor Kenichiro Itami, gewerkt aan de APEX-reactie, een reactie die polycyclische aromatische koolwaterstoffen gebruikt als sjablonen om nanografenen te synthetiseren. Polycyclische aromatische koolwaterstoffen hebben drie structuurgebieden – bekend als het K-gebied, het M-gebied en het lauriergebied – die kunnen worden verlengd in een APEX-reactie, waardoor drie nanografenen worden geproduceerd. Deze nanografenen kunnen vervolgens in een tweede reactie verder worden verlengd, wat betekent dat een groot aantal nanografenen kan worden gesynthetiseerd uit een enkel polycyclisch aromatisch koolwaterstofsjabloonmolecuul.

Omdat de groep van professor Itami de K-regio APEX-reactie al had ontwikkeld en een andere groep wetenschappers dit voor de baai-regio, richtten ze hun aandacht op de M-regio. Ze activeerden het M-gebied met behulp van de Diels-Alder-reactie die in 1950 de Nobelprijs won, en slaagden erin een verlengingsreactie uit te voeren op het geactiveerde M-gebied, waardoor alle drie mogelijke plaatsen op de polycyclische aromatische koolwaterstoffen in staat waren om nanografenen te synthetiseren.

De onderzoekers waren in staat om 13 nanografenen te produceren met drie APEX-reacties, waarvan de meeste voorheen onzichtbare structuren waren, waarmee zowel de efficiëntie als het nut van deze nieuwe methode werd bewezen.

Dit opwindende nieuwe stuk onderzoek en het potentieel om de creatie van nanograafenbibliotheken te versnellen, is een stap in de richting van de ontwikkeling van de volgende generatie materialen, die het potentieel hebben om een ​​revolutie teweeg te brengen in halfgeleiders en zonne-energie en levens over de hele wereld te verbeteren.