Es gibt ein neues Nanomaterial auf dem Block. Chemiker der University of Oregon haben einen Weg gefunden, kohlenstoffbasierte Moleküle mit einem einzigartigen Strukturmerkmal herzustellen: ineinandergreifende Ringe.
Wie andere Nanomaterialien haben diese miteinander verbundenen Moleküle interessante Eigenschaften, die durch Veränderung ihrer Größe und chemischen Zusammensetzung „abgestimmt“ werden können. Das macht sie potenziell nützlich für eine Reihe von Anwendungen, wie z. B. spezialisierte Sensoren und neue Arten von Elektronik.
„Es ist eine neue Topologie für Kohlenstoff-Nanomaterialien, und wir finden neue Eigenschaften, die wir vorher nicht sehen konnten“, sagte James May, Doktorand im Labor von Chemieprofessor Ramesh Jasti und Erstautor der Veröffentlichung. May und seine Kollegen berichten über ihre Ergebnisse in einem Artikel, der in veröffentlicht wurde Naturchemie.
Obwohl andere Labors auch verschiedene Arten von ineinandergreifenden Molekülen synthetisiert haben, ermöglicht die Methode des Jasti-Labors, dass Kohlenstoff-Nanoröhrchen-ähnliche Strukturen miteinander verbunden werden können. Es wird Chemikern ermöglichen, viele verschiedene Variationen der Struktur vorzunehmen und die Eigenschaften der neuen Materialien umfassender zu erforschen.
„Man kann Strukturen schaffen, die man mit anderen Methoden nicht schaffen kann“, sagte Jasti.
Beispielsweise nutzte sein Team den Ansatz, um drei ineinandergreifende Ringe sowie eine stabartige Struktur mit mehreren Ringen herzustellen, die auf und ab gleiten können. Der Fortschritt entstand aus Jasti’s Arbeit an Nanoreifen, Ringen aus Kohlenstoffatomen, die eine abgespeckte Variante langer, dünner Kohlenstoffnanoröhren sind.
„Weil wir in der Lage sind, diese kreisförmigen Strukturen nach Belieben herzustellen, begann ich zu überlegen, ob Sie Dinge herstellen könnten, die in der Natur einfach nicht existieren?“ sagte Jasti. „Da kam diese Idee der ineinandergreifenden Ringe ins Spiel.“
Um eine Reihe chemischer Reaktionen zu finden, die die komplizierten Ringstrukturen erzeugen könnten, war ein kreativer Ansatz erforderlich. Ihre Lösung hängt davon ab, einem Ring ein strategisch platziertes Metallatom hinzuzufügen. Dieses Metall startet die chemische Reaktion, um den zweiten Ring zu bilden, und zwingt es dazu, innerhalb des ersten Rings zu passieren. Sobald diese Reaktion eintritt, wird der zweite Ring gefangen und mit dem ersten Ring verriegelt.
„Wir sind in der Lage, Chemie in einem Raum entstehen zu lassen, in dem sie vielleicht nie auftritt“, sagte May.
Die ineinandergreifenden Moleküle verhalten sich unterschiedlich, wenn sich ihre Größe ändert oder wenn die Ringe anders angeordnet sind oder wenn andere chemische Elemente in die Mischung geworfen werden. Durch Anpassungen im Nanomaßstab könnten Wissenschaftler das Material so verbessern, dass es genau das tut, was es tun soll. Da die Materialklasse so neu ist, erforschen Wissenschaftler noch alle Möglichkeiten.
Aber Jasti’s Team interessiert sich besonders für ihr Potenzial als Sensoren, bei denen eine Änderung der Position der Ringe als Reaktion auf eine bestimmte Chemikalie zu einem fluoreszierenden Leuchten führen könnte.
Sie könnten auch verwendet werden, um flexible Elektronik oder dynamische biomedizinische Materialien herzustellen.
„Typische Kohlenstoff-Nanomaterialien wie Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphen oder sogar Diamant sind statische Materialien“, sagte er. „Hier haben wir neue Arten von Kohlenstoff-Nanomaterialien geschaffen, die ihre faszinierenden elektrischen und optischen Eigenschaften beibehalten, aber jetzt Dinge wie Drehen, Komprimieren oder Dehnen tun können.“
Mehr Informationen:
James H. May et al, Aktive Template-Strategie zur Herstellung von π-konjugierten ineinandergreifenden Nanokohlenstoffen, Naturchemie (2023). DOI: 10.1038/s41557-022-01106-9