Onderzoekers ontwikkelen de derde en laatste ‘op bestelling gemaakte’ nanobuis-synthesetechniek

De huidige methode om koolstofnanobuisjes te vervaardigen – in wezen opgerolde vellen grafeen – is niet in staat om volledige controle over hun diameter, lengte en type mogelijk te maken. Dit probleem is onlangs opgelost voor twee van de drie verschillende typen nanobuisjes, maar het derde type, bekend als ‘zigzag’-nanobuisjes, was buiten bereik gebleven. Onderzoekers van de Japanse National Institutes of Natural Sciences (NINS) hebben nu ontdekt hoe ze de zigzagvariëteit kunnen synthetiseren.

Hun methode wordt beschreven in het tijdschrift Nature Chemistry, gepubliceerd op 25 januari.

Dankzij het unieke vermogen van koolstof om te combineren met andere atomen om moleculen te vormen, kan het, wanneer het met zichzelf combineert, dit op veel structureel verschillende manieren doen (zoals diamanten en grafiet) met verschillende eigenschappen. In de afgelopen decennia zijn vormen zoals grafeen – een koolstoflaag van één atoom dik gevormd uit een zeshoekig honingraatachtig rooster – geproduceerd. Een andere van deze verschillende vormen, of ‘allotropen’, die kunnen worden geproduceerd, is een holle cilinder van grafeen die bekend staat als een nanobuisje.

Wanneer de zeshoeken van koolstof in de nanobuis samenkomen in dit honingraatrooster, vormen ze een fauteuil-, zigzag- of chirale configuratie. De naam ‘zigzag’ wordt gebruikt voor de configuratie waarin het ‘pad’ van elke moleculaire binding tussen koolstofatomen eerst 60 graden naar links, dan 60 graden naar rechts, dan 60 graden naar links en dan weer 60 graden naar rechts is gericht: een zigzag patroon. De naam ‘fauteuil’ beschrijft een pad dat twee keer naar links en vervolgens twee keer naar rechts beweegt, voordat het wordt herhaald. Dit pad lijkt een beetje op een fauteuil, vandaar de naam. Een derde type, chiraal, zit tussen deze twee vormen in, samen met zijn spiegelbeeld.

Als je een mes zou kunnen nemen en twee keer horizontaal tegen de lengteas door deze buizen zou kunnen snijden, zou je een ‘riem’ van nanobuisjes kunnen maken, bestaande uit 12 hexagonale koolstofringen. Zo’n riem wordt een ‘nanobelt’ genoemd.

Inspanningen om deze nanobellen te produceren zijn onderwerp van veel wetenschappelijk onderzoek geweest. Dit komt door de beperkingen van de conventionele fabricage van nanobuisjes, die een zogenaamde ’top-down’-vorm aanneemt. Top-down fabricage omvat het verpulveren van een bulk massa koolstof tot een poeder, waarna de nanobuisjes zichzelf willekeurig vormen tot een of meer van de drie configuratietypen.

“Het probleem hier is dat je niet kunt bepalen welk configuratietype wordt gevormd, of de diameter, of zelfs de lengte”, zegt Yasutomo Segawa van het Institute for Molecular Science bij NINS en de corresponderende auteur van het artikel. “Maar als je een nanobuisje van onderaf kunt bouwen, uit het ‘zaad’ van een nanobuis, dan beheer je al deze drie aspecten.”

Eerder onderzoek in 2019 had fauteuils en chirale nanobellen kunnen produceren, maar niet het derde type – de zigzag.

En nu konden de onderzoekers voor het eerst een zigzag nanobelt vormen. De sleutel tot de nanobeltsynthesestrategie was de overbrugging van de hexagonale ringen door een zuurstofatoom (de toevoeging van een oxanorbornadieeneenheid). Ze waren toen in staat om röntgenkristallografie te gebruiken om te bevestigen dat deze structuur, die was voorspeld door theoretische berekeningen, zich inderdaad in de echte wereld vormde.

Met deze derde nanobeltsynthese zijn alle drie de typen nanobuisjes – fauteuil, chiraal en zigzag – in principe nu beschikbaar. Dit is een grote stap in de richting van de bottom-up synthese van op bestelling gemaakte koolstofnanobuisjes.

De volgende stap is om deze proof of concept door te voeren naar feitelijke structuur-selectieve bottom-up synthese van koolstofnanobuisjes, door de synthese van koolstofnanobuisjes te gebruiken met hun nanobuizen als zaden.