陳根：新突破——莫比烏斯碳納米帶首次被合成_風聞

文|陳根

一直以來，構建結構均勻的單分子納米碳都是科學家們的一大“夢想”。實現這一夢想的重要工具就是分子納米碳科學。**分子納米碳科學是一種自下而上使用合成有機化學制造納米碳的方法。**然而，迄今為止合成的分子納米碳僅具有簡單的結構，例如環狀、碗狀或帶狀。

2017年，名古屋大學的研究人員首次成功合成了國際學界60年前理論上提出的筒狀碳分子“碳納米帶”。該碳納米帶比同樣為筒狀結構的碳納米管(CNT)短，直徑約0.8納米。經過多種分析證實它與CNT具有相似的結構及性質，顯示出CNT的部分結構。

該研究中，科學家們主要通過迭代Witting反應合成環戊烯異構體CNT帶段，再由鎳介導的芳基-芳基偶聯反應來合成包含完全融合的邊緣共享苯環的閉環的碳納米管。通過X射線晶體學證實該合成物具有圓柱形帶結構，並利用紫外-可見吸收光譜、熒光光譜和拉曼光譜研究以及理論計算闡明瞭其基本光電特性。

**近日，在此基礎上，名古屋大學的研究人員又獲得了新突破——成功合成一種帶狀的分子納米碳，其具有扭曲的莫比烏斯帶拓撲結構，即莫比烏斯碳納米帶。**這樣一個扭曲的莫比烏斯碳納米帶跟正常的帶狀拓撲結構相比，擁有相當不同的特性和分子運動。然而實現這種扭曲難度也非同小可。

首先，研究人員通過對莫比烏斯碳納米帶的帶狀和扭曲分子結構產生的巨大應變理論着手，確定了有效的合成路線；隨後，研究人員通過14個化學反應步驟合成了莫比烏斯碳納米帶，包括新開發的官能化反應、Z-選擇性維蒂希反應序列和應變誘導鎳介導的同源偶聯反應。

**最終，據相關模擬顯示，莫比烏斯帶的扭曲分子在溶液中圍繞莫比烏斯碳納米帶分子快速移動。**也就是説，源自莫比烏斯結構的拓撲手性則在實驗中用手性分離和圓二色光譜法得到了證實。

總的來説，該研究為具有複雜拓撲結構的納米碳材料的發展奠定了基礎；未來，將有利於納米技術、電子學、光學和生物醫學應用中的功能材料的開發。