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Une nouvelle méthode de synthèse permet de créer un nanocarbone moléculaire en forme de ceinture avec une topologie de bande de Möbius torsadée, c’est-à-dire une nanocorde de carbone de Möbius. Crédit : Issey Takahashi
Les scientifiques ont construit le premier nanocarbone moléculaire en forme de ceinture avec une topologie de bande de Möbius torsadée – une nanocorde de carbone de Möbius – qui ouvre la voie au développement de matériaux nanocarbonés avec des structures topologiques complexes.
L’obtention de nanocarbones structurellement uniformes – idéalement sous forme de molécules uniques – est un grand défi dans le domaine de la science des nanocarbones afin de relier correctement la structure et la fonction. Ainsi, la synthèse de nanocarbures structurellement uniformes est cruciale pour le développement de matériaux fonctionnels dans les domaines de la nanotechnologie, de l’électronique, de l’optique et des applications biomédicales.
Un outil important pour atteindre cet objectif est la science des nanocarbones moléculaires, qui est une approche ascendante pour créer des nanocarbones en utilisant la chimie organique synthétique. Cependant, les nanocarbones moléculaires synthétisés jusqu’à présent ont des structures simples, comme celle d’un anneau, d’un bol ou d’une ceinture. Afin de réaliser des nanocarbures inexplorés et prévus par la théorie, il est nécessaire de développer de nouvelles méthodologies pour synthétiser des nanocarbures moléculaires aux structures plus complexes.
Aujourd’hui, une équipe de chercheurs dirigée par Kenichiro Itami (professeur, Nagoya University), and Yasutomo Segawa (Associate Professor, Institute for Molecular Science) and Yuh Hijikata, (Specially Appointed Associate Professor, ICReDD) has synthesized a belt-shaped molecular nanocarbon with a twisted Möbius band topology, i.e., a Möbius carbon nanobelt.
“The Möbius carbon nanobelt was a dream molecule in the scientific community after we reported the first chemical synthesis of a carbon nanobelt—an ultra-short carbon nanotube—in 2017. Just like belts we use every day, we imagined what would happen to our ‘molecular belt’ when tightened with a twist. It’s another amazingly beautiful molecule,” says Kenichiro Itami, leader of the research group. Such a twisted Möbius carbon nanobelt should manifest quite different properties and molecular motions compared to those with a normal belt topology. However, creating this twist is easier said than done. “We knew from our previous synthesis of carbon nanobelts that the strain energy is the biggest hurdle in the synthesis. Moreover, the additional twist within the belt structure makes the strain energy of the final target molecule even higher. The key to the success in the actual synthesis was our molecular design and detailed examination of the reaction conditions,” says Yasutomo Segawa, a co-leader of the project.
The rational synthetic route was determined by using the theoretical analysis of the huge strain derived from both the belt-shape and twisted molecular structure of Möbius carbon nanobelt. The Möbius carbon nanobelt was synthesized in 14 chemical reaction steps including a newly developed functionalization reaction, Z-selective Wittig reaction sequence, and strain-inducing nickel-mediated homocoupling reaction. Spectroscopic analysis and molecular dynamics simulation reveal that the twist moiety of the Möbius band moves quickly around the Möbius carbon nanobelt molecule in solution. The topological chirality originating from the Möbius structure was confirmed experimentally using chiral separation and circular dichroism spectroscopy.
Looking back in history, new forms of carbon and nanocarbons have consistently opened doors to new science and technology and have led to the discovery of extraordinary (and often unpredictable) properties, functions, and applications. The present work is a pioneering achievement that paves the way for the development of nanocarbon materials with complex topological structures and the birth of innovative materials science using Möbius topology.
Reference: “Synthesis of a Möbius carbon nanobelt” by Yasutomo Segawa, Tsugunori Watanabe, Kotono Yamanoue, Motonobu Kuwayama, Kosuke Watanabe, Jenny Pirillo, Yuh Hijikata and Kenichiro Itami, 19 May 2022, Nature Synthesis.
DOI: 10.1038/s44160-022-00075-8
