Chemische Synthese von Nanoröhrchen

Zum ersten Mal verwendeten die Forscher Benzol, einen gewöhnlichen Kohlenwasserstoff, um eine neuartige Art von molekularen Nanoröhren zu erzeugen, die zu neuen Halbleiteranwendungen auf Nanokohlenstoffbasis führen könnten.

Forscher des Department of Chemistry haben in ihrem Labor an der Graduate School of Science der University of Tokyo hart gearbeitet. Professor Hiroyuki Isobe und Kollegen teilen die Wertschätzung für “schöne” Molekularstrukturen und haben etwas geschaffen, das nicht nur schön ist, sondern auch eine Premiere für die Chemie.

Ihr Phenin-Nanoröhrchen (pNT) ist sehr schön anzusehen aufgrund seiner angenehmen Symmetrie und Einfachheit, die einen starken Kontrast zu seinen komplexen Entstehungsformen darstellt. Die chemische Synthese von Nanoröhrchen ist bekanntlich schwierig und herausfordernd, umso mehr, wenn man die betreffenden Strukturen feinfühlig kontrollieren will, um einzigartige Eigenschaften und Funktionen zu erhalten.

Typische Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind bekannt für ihre perfekten Graphitstrukturen ohne Defekte, variieren aber in Länge und Durchmesser stark. Isobe und sein Team wollten eine einzige Art von Nanoröhre, eine neuartige Form mit kontrollierten Defekten innerhalb ihrer nanometergroßen zylindrischen Struktur, die es zusätzlichen Molekülen ermöglicht, Eigenschaften und Funktionen hinzuzufügen.

Der neuartige Syntheseprozess der Forscher beginnt mit Benzol, einem sechseckigen Ring mit sechs Kohlenstoffatomen. Sie verwenden Reaktionen, um sechs dieser Benzole zu kombinieren, um einen größeren hexagonalen Ring, genannt Cyclo-meta-Phenylen (CMP), herzustellen. Anschließend werden Platinatome verwendet, die es vier CMPs ermöglichen, einen offenen Würfel zu bilden. Wenn das Platin entfernt wird, springt der Würfel in einen dicken Kreis und dieser ist an beiden Enden mit Brückenmolekülen versehen, die die Rohrform ermöglichen.

Es klingt kompliziert, aber erstaunlicherweise verbindet dieser komplexe Prozess die Benzolverbindungen in 90 Prozent der Fälle erfolgreich auf die richtige Weise. Der Schlüssel liegt auch in der Symmetrie des Moleküls, die den Prozess der Montage von bis zu 40 Benzolen vereinfacht. Diese Benzole, auch Phenine genannt, werden als Paneele verwendet, um den nanometergroßen Zylinder zu bilden. Das Ergebnis ist eine neuartige Nanoröhrenstruktur mit absichtlichen periodischen Defekten. Theoretische Untersuchungen zeigen, dass diese Defekte das Nanoröhrchen mit Halbleitercharakteren versehen.

“Ein Kristall von pNT ist auch interessant. Die pNT-Moleküle sind ausgerichtet und in einem Gitter voller Poren und Hohlräume verpackt”, erklärt Isobe. “Diese Nanoporen können verschiedene Substanzen verkapseln, die dem pNT-Kristall Eigenschaften verleihen, die für elektronische Anwendungen nützlich sind. Ein Molekül, das wir erfolgreich in pNT eingebettet haben, war ein großes Kohlenstoffmolekül namens Fulleren (C70).”

“Ein Team unter der Leitung von Kroto/Curl/Smalley entdeckte 1985 Fullerene. Es heißt, dass Sir Harold Kroto sich in das schöne Molekül verliebt hat”, fährt Isobe fort. “Wir denken genauso über pNT. Wir waren überrascht, die Molekularstruktur aus der kristallographischen Analyse zu sehen. Aus unserer chemischen Synthese entsteht eine perfekte zylindrische Struktur mit vierfacher Symmetrie.”

“Nach einigen Jahrzehnten seit der Entdeckung hat dieses schöne Molekül, Fulleren, verschiedene Einsatzmöglichkeiten und Anwendungen gefunden”, ergänzt Isobe. “Wir hoffen, dass die Schönheit unseres Moleküls auch auf einzigartige Eigenschaften und nützliche Funktionen hinweist, die darauf warten, entdeckt zu werden.”