Een Möbius-strip die uitsluitend uit koolstofatomen is opgebouwd

Het verkrijgen van structureel uniforme nanokoolstoffen om structuur en functie goed met elkaar in verband te brengen, idealiter als afzonderlijke moleculen, is een grote uitdaging op het gebied van nanokoolstofwetenschap. De constructie van structureel uniforme nanokoolstoffen is dus cruciaal voor de ontwikkeling van functionele materialen in nanotechnologie, elektronica, optica en biomedische toepassingen. Een belangrijk hulpmiddel om dit doel te bereiken, is de moleculaire nanokoolstofwetenschap, een bottom-upbenadering voor het maken van nanokoolstoffen met behulp van synthetische organische chemie. De tot nu toe gesynthetiseerde moleculaire nanokoolstoffen hebben echter eenvoudige structuren, zoals die van een ring, kom of riem. Om onontgonnen en theoretisch voorspelde nanokoolstoffen te realiseren, is het noodzakelijk om nieuwe methodologieën te ontwikkelen voor het synthetiseren van moleculaire nanokoolstoffen met complexere structuren.

Nu heeft een team onder leiding van Kenichiro Itami (professor, Universiteit van Nagoya), en Yasutomo Segawa (Associate Professor, Institute for Molecular Science) en Yuh Hijikata, (Specially Appointed Associate Professor, ICReDD) een riemvormige moleculaire nanokoolstof met een gedraaide Möbius-bandtopologie (dwz een Möbius koolstofnanobelt) en publiceerden hun resultaten in Natuur Synthese.

“De Möbius koolstofnanobelt was een droommolecuul in de wetenschappelijke gemeenschap nadat we de eerste chemische synthese van een koolstofnanobelt – een ultrakorte koolstofnanobuis – in 2017 rapporteerden. Net als riemen die we elke dag gebruiken, stelden we ons voor wat er zou gebeuren met onze ‘moleculaire riem’ wanneer je hem met een draai vastmaakt. Het is weer een verbazingwekkend mooi molecuul”, zegt Kenichiro Itami, leider van de onderzoeksgroep.

Zo’n gedraaide Möbius koolstofnanoriem zou heel andere eigenschappen en moleculaire bewegingen moeten vertonen in vergelijking met die met een normale riemtopologie. Het creëren van deze twist is echter makkelijker gezegd dan gedaan. “We wisten van onze eerdere synthese van koolstofnanobanden dat de spanningsenergie de grootste hindernis in de synthese is. Bovendien maakt de extra draai in de bandstructuur de spanningsenergie van het uiteindelijke doelmolecuul nog hoger. De sleutel tot het succes in de eigenlijke synthese was ons moleculaire ontwerp en gedetailleerd onderzoek van de reactieomstandigheden”, zegt Yasutomo Segawa, een co-leider van het project.

De rationele syntheseroute werd bepaald met behulp van de theoretische analyse van de enorme spanning die is afgeleid van zowel de riemvorm als de gedraaide moleculaire structuur van Möbius koolstofnanobelt. De Möbius koolstofnanobelt werd gesynthetiseerd in 14 chemische reactiestappen, waaronder een nieuw ontwikkelde functionaliseringsreactie, Z-selectieve Wittig-reactiesequentie en spanningsinducerende nikkel-gemedieerde homokoppelingsreactie. Spectroscopische analyse en moleculaire dynamica-simulatie onthullen dat het twistgedeelte van de Möbius-band snel rond het Möbius koolstofnanobeltmolecuul in oplossing beweegt. De topologische chiraliteit afkomstig van de Möbius-structuur werd experimenteel bevestigd met behulp van chirale scheiding en circulair dichroïsme spectroscopie.

Terugkijkend in de geschiedenis hebben nieuwe vormen van koolstof en nanokoolstoffen consequent deuren geopend voor nieuwe wetenschap en technologie en hebben ze geleid tot de ontdekking van buitengewone (en vaak onvoorspelbare) eigenschappen, functies en toepassingen. Het huidige werk is een baanbrekende prestatie die de weg vrijmaakt voor de ontwikkeling van nanokoolstofmaterialen met complexe topologische structuren en de geboorte van innovatieve materiaalwetenschap met behulp van Möbius-topologie.