Para vincular eficazmente la estructura y la función, los nanocompuestos de carbono primero deben obtener nanocompuestos de carbono estructuralmente homogéneos, idealmente como moléculas individuales. La creación de materiales funcionales en nanotecnología, óptica, electrónica y aplicaciones biomédicas requiere la construcción de nanocompuestos estructurales estandarizados.
La ciencia del carbono molecular, un enfoque de abajo hacia arriba para generar carbono a nanoescala utilizando química orgánica sintética, es una herramienta esencial para lograr este objetivo. Sin embargo, los nanocompuestos de carbono macromoleculares sintetizados hasta ahora tienen estructuras simples como anillo, cuenco o cinturón.
Es necesario desarrollar nuevos métodos para la síntesis de nanocompuestos de carbono macromoleculares con estructuras más complejas para lograr los nanocompuestos de carbono teóricamente inexplorados y previstos.
Un grupo de investigadores encabezado por Kenichiro Itami (Profesor, Universidad de Nagoya), Yasutomo Segawa (Profesor asociado, Instituto de Ciencias Moleculares) y Yuh Hijikata (Profesor asociado especialmente designado, ICReDD) fabricaron un carbono molecular en forma de cinturón con la topología de banda torcida de Möbius, es decir, un nanocinturón de carbono de Möbius.
El nanocinturón de carbono de Möbius fue una molécula de ensueño en la comunidad científica después de que informamos la primera síntesis química del nanocinturón de carbono, un nanotubo de carbono extremadamente corto, en 2017. Al igual que los cinturones que usamos todos los días, imaginamos lo que nos sucedería. Cinturón molecular «cuando se aprieta con torsión. Es otra molécula increíblemente hermosa.
Kenichiro Itami, Profesor, Universidad de Nagoya
Las propiedades moleculares y los movimientos del nanocinturón de carbono torcido de Möbius deberían ser bastante diferentes de los de la topología del cinturón normal. Generar esta torsión es más fácil decirlo que hacerlo.
Aprendimos de nuestra síntesis anterior de nanocinturones de carbono que la energía de tensión es el mayor obstáculo en la síntesis. Además, la torsión adicional dentro de la estructura del cinturón aumenta la energía de tensión de la molécula objetivo final. La clave del éxito de la síntesis real fue nuestro diseño molecular y el examen detallado de las condiciones de reacción..
Yasutomo Segawa, Profesor Asociado, Instituto de Ciencias Moleculares
Yasutomo Segawa es el co-líder del proyecto.
La vía de composición racional se descubrió mediante el análisis teórico de la tensión masiva derivada de la forma del cinturón y la estructura molecular retorcida del nanocinturón de carbono de Möbius. Se utilizó una reacción funcional de nuevo diseño, la secuencia de reacción de Wittig selectiva en forma de Z y una reacción de homoacoplamiento mediada por níquel catalizada por tensión para fabricar el nanocinturón de carbono de Möbius.
El segmento torcido de la banda de Möbius se mueve rápidamente a lo largo de la nanopartícula de carbono de Möbius en solución, según el análisis espectroscópico y las simulaciones de dinámica molecular. Usando separación quiral y espectroscopia de dicroísmo circular, se confirmó experimentalmente la simetría topológica que surge de la estructura de Möbius.
Las nuevas formas de carbono y los nanocompuestos de carbono han abierto constantemente las puertas a la nueva ciencia y tecnología, lo que ha llevado al descubrimiento de propiedades, funciones y aplicaciones extraordinarias (ya menudo impredecibles) a lo largo de la historia.
El presente trabajo es un logro revolucionario que sienta las bases para el desarrollo de nanomateriales de carbono con estructuras topológicas complejas, así como para el surgimiento de una nueva ciencia de los materiales basada en la topología de Möbius.
Referencia de la revista:
Segawa, Y. y otros. (2022) Síntesis de un nanocinturón de carbono de Möbius. síntesis de la naturaleza. doi.org/10.1038/s44160-022-00075-8.
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