研究人员创造了长期寻求的锯齿形边缘碳纳米带

新加坡国立大学的化学家开发了一种完全共轭之字形边缘碳纳米带 (CNB) 的原子精确合成策略。获得的分子，称为八苯并[12]环并苯，被认为是第一个完全表征的锯齿形(12,0)碳纳米管合成片段之一。在过去的 35 年里，这种分子结构一直是合成化学家难以捉摸的目标。

单壁碳纳米管(SWCNT的)是一类特殊的包括石墨烯片在中空管的碳材料的结构具有一个原子厚度的壁。它们被认为是开发下一代纳米电子器件最有前途的材料之一。然而，目前的电弧放电和激光汽化等生产方法无法实现原子级精确合成SWCNTs，这会影响它们的电学和光学特性。作为替代方法，研究集中在 CNBs，它是带状分子，仅由以圆形方式融合在一起的苯环组成。这些 CNB 分子有可能成为结构明确的碳纳米管生长的种子。近年来，人们对 CNBs 的自下而上有机合成的兴趣重新抬头。已经分别合成并充分表征了具有不同配置(例如扶手椅和手性边缘)的 CNB。然而，涉及锯齿形边缘 (n,0) CNT 碎片的独特构型的合成仍然难以捉摸(见图(a))。

由新加坡国立大学化学系 Chi Chunyan 教授领导的研究小组开发了一种结合热力学稳定和动力学保护的策略，以实现锯齿形 (12, 0) 单壁碳纳米管段的原子精确合成。合成是通过使用两次 Diels-Alder 加成来完成的，首先构建无应变的前体，然后还原脱氧以获得完全共轭的应变 CNB。应用了一种称为苯并环化的概念来增加共振稳定能，从而可以实现最终化合物的热力学稳定性。同时，取代基在锯齿形边缘上的连接会在动力学上阻止环加成反应，而环加成反应最初可能会破坏共轭骨架结构。

研究小组使用了几种先进的表征工具来研究他们获得的八苯并[12]环并苯分子的结构。使用单晶 X 射线衍射，他们发现该分子采用高度对称的圆柱状几何结构(图(c)和(d))，类似于碳纳米管。晶体结构可视化、探索和分析软件(Mercury) 用于测量该纳米带的内径，约为 9.2 埃。研究人员还对分子结构进行了计算应变分析，他们的结果表明，锯齿形边缘的苯基通过防止纳米带结构形成过程中的进一步氢化反应，在提供稳定性方面发挥着重要作用。

Chi教授说：“我们在这项工作中开发的合成方法和稳定策略可以为构建新型碳纳米结构和碳纳米管铺平道路，以用于电子和光子学的各种应用。”

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