中國(guó)粉體網(wǎng)訊  化學(xué)家嘗試合成碳納米帶的研究已經(jīng)超過(guò)了60年，但至今仍沒(méi)有成功。名古屋大學(xué)的一個(gè)小組在科學(xué)雜志中報(bào)告了碳納米帶的首次有機(jī)合成。預(yù)計(jì)碳納米帶能夠用來(lái)構(gòu)建碳納米管，這開辟了一個(gè)新的納米碳科學(xué)研究領(lǐng)域。

圖中展示的為碳納米帶。 榮譽(yù)：名古屋大學(xué)

名古屋大學(xué)JST-ERATO伊丹分子納米碳工程研究所和生物分子轉(zhuǎn)化研究所（ITbM）共同開發(fā)出了直徑為0.83納米（nm）的全新納米帶。自二十世紀(jì)五十年代以來(lái)，世界各地的科學(xué)家一直在努力合成碳納米帶，其中伊藤仁一郎教授的團(tuán)隊(duì)研究其合成已經(jīng)進(jìn)行了12年。

Segawa是該研究團(tuán)隊(duì)的一名領(lǐng)導(dǎo)者，并且參與其合成已經(jīng)有了七年半之久，說(shuō)道：“沒(méi)有人知道其有機(jī)合成是否能夠成功，然而，我對(duì)這個(gè)神秘的分子合成傾注了很多心血�！�

碳納米帶是由稠合苯環(huán)構(gòu)成的帶狀分子，而該笨環(huán)是由6個(gè)碳原子構(gòu)成的芳香環(huán)。碳納米帶是碳納米管的一部分，由于其獨(dú)特的物理特性，它們?cè)陔娮雍凸庾訉W(xué)中具有許多不同的應(yīng)用。

當(dāng)前的合成方法產(chǎn)生的碳納米管具有不均勻的直徑和側(cè)壁結(jié)構(gòu)，這可以改變它們的光電性質(zhì)。這些使得分離和純化具有特定直徑、長(zhǎng)度和側(cè)壁結(jié)構(gòu)的單個(gè)碳納米管非常困難。因此，能夠精確控制結(jié)構(gòu)均勻的碳納米管的合成將有助于開發(fā)新型和高功能的材料。

圖1.具有不同直徑和側(cè)壁結(jié)構(gòu)的碳納米管。 榮譽(yù)：名古屋大學(xué)

碳納米帶已被提出用來(lái)構(gòu)建結(jié)構(gòu)均勻的碳納米管。然而，由于其非常高的應(yīng)變能，使得合成碳納米帶具有一些挑戰(zhàn)。這是因?yàn)楸皆谥辨湑r(shí)是穩(wěn)定的，但是當(dāng)它們經(jīng)受環(huán)的融合扭曲時(shí)就會(huì)變得不穩(wěn)定。

為了克服這個(gè)問(wèn)題，JST-ERATO項(xiàng)目的博士后研究員Guillaume Povie與JST-ERATO項(xiàng)目的組長(zhǎng)Yasutomo Segawa和JST-ERATO項(xiàng)目主管兼ITbM中心主任Kenamiiro Itami共同從易于獲得的前體，成功地對(duì)二甲苯（在1,4-（對(duì) - 位）中具有兩個(gè)甲基的苯分子）進(jìn)行的11個(gè)步驟中首次化學(xué)合成碳納米帶。

這一合成成功的關(guān)鍵在于其利用具有相對(duì)低的環(huán)形應(yīng)變的大環(huán)前體進(jìn)行了帶狀形成。在他們的合成方法中，團(tuán)隊(duì)用10個(gè)步驟起初對(duì)二甲苯制備了大環(huán)前體，并通過(guò)偶聯(lián)反應(yīng)形成了帶狀芳族化合物（圖3）。 其中鎳對(duì)于調(diào)節(jié)耦合過(guò)程至關(guān)重要。

Povie說(shuō)：“這個(gè)研究中最困難的部分是大環(huán)前體的關(guān)鍵耦合反應(yīng)。 這個(gè)反應(yīng)日復(fù)一日，我花了三到四個(gè)月的時(shí)間來(lái)測(cè)試各種條件，我一直相信有志者事竟成�！�

圖2.是使用碳納米帶作為模板的碳納米管生長(zhǎng)的常用方法。榮譽(yù)：名古屋大學(xué)

2015年，伊丹在其ERATO項(xiàng)目中發(fā)起了一項(xiàng)新設(shè)想，其中特別關(guān)注碳納米管的合成。在俗稱的“腰帶節(jié)”中，10多名研究人員參與了該項(xiàng)目并提出了碳納米管各種新的合成方法。2016年9月28日，即節(jié)日后的一年，碳納米管結(jié)構(gòu)終于在伊藤集團(tuán)成員面前通過(guò)X光晶體學(xué)被揭示。在X射線分析期間，每個(gè)人都盯著屏幕呼吸，當(dāng)碳納米管的圓柱形狀圖像出現(xiàn)在屏幕上時(shí)，他們歡呼了起來(lái)。 伊丹、Segawa和Povie共同擊掌來(lái)表示他們的喜悅。

“這是我一生中最激動(dòng)人心的時(shí)刻，我永遠(yuǎn)不會(huì)忘記它，”伊丹說(shuō)，“由于這是長(zhǎng)達(dá)十年的研究成果，我非常感謝所有過(guò)去和現(xiàn)在小組成員的支持和鼓勵(lì)，感謝所有成員的努力、韌性、意志和堅(jiān)持，我們最終取得了成功�！�

圖3.二甲苯合成碳納米帶的11個(gè)步驟。榮譽(yù)：名古屋大學(xué)

合成的碳納米帶是一種紅色固體并且?guī)в猩罴t色的熒光。通過(guò)X射線晶體學(xué)分析顯示，碳納米帶具有與碳納米管相同的圓柱形形狀（如圖4所示）。研究人員還通過(guò)紫外 - 可見吸收熒光和拉曼光譜研究以及理論計(jì)算測(cè)量了它的光吸收和發(fā)射，電導(dǎo)率和結(jié)構(gòu)剛度。

“實(shí)際上，合成部分于去年8月份完成，但是無(wú)法確定碳納米管的X射線結(jié)構(gòu)，”Povie說(shuō)，“當(dāng)我看到X光結(jié)構(gòu)時(shí)，我真的很興奮�！�

圖4.從左到右依次是碳納米管的X-射線結(jié)構(gòu)、室內(nèi)光下的碳納米管晶體、紫外光下的碳納米管晶體。榮譽(yù)：名古屋大學(xué)

碳納米管將在未來(lái)發(fā)布應(yīng)用于市場(chǎng)。Segawa和Itami說(shuō)：“我們期待與來(lái)自世界各地的研究人員一同探究碳納米管的新特性和新功能�！�