新加坡國立大學(xué)的化學(xué)家開發(fā)了一種完全共軛之字形邊緣碳納米帶 (CNB) 的原子精確合成策略。獲得的分子，稱為八苯并[12]環(huán)并苯，被認(rèn)為是第一個(gè)完全表征的鋸齒形(12,0)碳納米管合成片段之一。在過去的 35 年里，這種分子結(jié)構(gòu)一直是合成化學(xué)家難以捉摸的目標(biāo)。

單壁碳納米管(SWCNT的)是一類特殊的包括石墨烯片在中空管的碳材料的結(jié)構(gòu)具有一個(gè)原子厚度的壁。它們被認(rèn)為是開發(fā)下一代納米電子器件最有前途的材料之一。然而，目前的電弧放電和激光汽化等生產(chǎn)方法無法實(shí)現(xiàn)原子級(jí)精確合成SWCNTs，這會(huì)影響它們的電學(xué)和光學(xué)特性。作為替代方法，研究集中在 CNBs，它是帶狀分子，僅由以圓形方式融合在一起的苯環(huán)組成。這些 CNB 分子有可能成為結(jié)構(gòu)明確的碳納米管生長的種子。近年來，人們對(duì) CNBs 的自下而上有機(jī)合成的興趣重新抬頭。已經(jīng)分別合成并充分表征了具有不同配置(例如扶手椅和手性邊緣)的 CNB。然而，涉及鋸齒形邊緣 (n,0) CNT 碎片的獨(dú)特構(gòu)型的合成仍然難以捉摸(見圖(a))。

由新加坡國立大學(xué)化學(xué)系 Chi Chunyan 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)了一種結(jié)合熱力學(xué)穩(wěn)定和動(dòng)力學(xué)保護(hù)的策略，以實(shí)現(xiàn)鋸齒形 (12, 0) 單壁碳納米管段的原子精確合成。合成是通過使用兩次 Diels-Alder 加成來完成的，首先構(gòu)建無應(yīng)變的前體，然后還原脫氧以獲得完全共軛的應(yīng)變 CNB。應(yīng)用了一種稱為苯并環(huán)化的概念來增加共振穩(wěn)定能，從而可以實(shí)現(xiàn)最終化合物的熱力學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，取代基在鋸齒形邊緣上的連接會(huì)在動(dòng)力學(xué)上阻止環(huán)加成反應(yīng)，而環(huán)加成反應(yīng)最初可能會(huì)破壞共軛骨架結(jié)構(gòu)。

研究小組使用了幾種先進(jìn)的表征工具來研究他們獲得的八苯并[12]環(huán)并苯分子的結(jié)構(gòu)。使用單晶 X 射線衍射，他們發(fā)現(xiàn)該分子采用高度對(duì)稱的圓柱狀幾何結(jié)構(gòu)(圖(c)和(d))，類似于碳納米管。晶體結(jié)構(gòu)可視化、探索和分析軟件(Mercury) 用于測(cè)量該納米帶的內(nèi)徑，約為 9.2 埃。研究人員還對(duì)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算應(yīng)變分析，他們的結(jié)果表明，鋸齒形邊緣的苯基通過防止納米帶結(jié)構(gòu)形成過程中的進(jìn)一步氫化反應(yīng)，在提供穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用。

Chi教授說：“我們?cè)谶@項(xiàng)工作中開發(fā)的合成方法和穩(wěn)定策略可以為構(gòu)建新型碳納米結(jié)構(gòu)和碳納米管鋪平道路，以用于電子和光子學(xué)的各種應(yīng)用。”

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