Химики «затянули» рекордно тугой углеродный нанопояс

Химики из университетов Киото и Нагойи синтезировали рекордно маленький зигзагообразный пояс из атомов углерода — он состоит из двенадцати «склеенных» между собой бензольных колец. Эта молекула — фрагмент углеродной нанотрубки типа «кресло». По словам авторов, помимо возможности исследовать необычное вещество экспериментально, «нанопояса» могут послужить в роли затравок для выращивания одностенных углеродных нанотрубок высокой чистоты. Исследование опубликовано в Science.

Углеродные нанотрубки — одна из редких аллотропных форм углерода. Это свернутые в трубку листы, состоящие из шестиугольных секций на мотив пчелиных сот, в каждом углу такой секции располагается атом углерода. В зависимости от типа скручивания листа («под углом» или «параллельно краям») выделяют два типа нанотрубок — «зигзаг» и «кресло». В «кресле» шестиугольные секции выстраиваются в ровные линии вдоль всей длины нанотрубки, а в «зигзаге» они соединены под углом. Если посмотреть на сечение таких нанотрубок, то можно обнаружить пояса из шестиугольников. С ними возникает противоположная ситуация: пояса в «зигзагах» оказываются ровными (шестиугольники «склеиваются» противоположными ребрами), а в «креслах» — изогнутыми (каждый стык под углом 120 градусов).

Химики предпринимали попытки синтезировать такие пояса начиная со второй половины XX века. Но ни с ровными, ни с зигзагообразными поясами не удалось достичь успеха. Лишь в 2008 году группе японских химиков удалось создать циклопарафенилен — это пояс, в котором шестиугольники не «склеены» между собой по ребрам, а скорее нанизаны на нить. Исследователи надеялись, что нарастив на него дополнительные шестиугольные секции удастся получить искомый зигзагообразный пояс, но все попытки оказались безуспешными.

Авторы новой работы наконец достигли успеха в синтезе зигзагообразного пояса из углерода и даже смогли вырастить монокристалл для доказательства структуры. Схема постройки углеродного каркаса выглядела следующим образом. Можно представить себе пояс как шесть шестиугольников, «склеенных» между собой еще шестью такими же кольцами. В циклопарафенилене от этих «склеивающих» шестиугольников остаются лишь короткие перемычки, а мостики из еще двух атомов углерода исчезают. Химики пошли по альтернативному пути, синтезировав замкнутую цепь из шестиугольников, соединенных мостиками из двух атомов углерода — лишь на последней стадии эти мостики должны были превратиться в полноценные фрагменты «склеивающих» шестиугольников.

Сборка структуры происходила с помощью классических реакций органической химии — реакций Виттига между бромпроизводными и илидами фосфора. Авторы попытались подобрать оптимальные условия для последней стадии процесса — когда мостики становятся частью новых шестиугольных фрагментов, однако в конечном итоге выход искомого вещества составил лишь один процент ожидаемого.

Вещество оказалось красным порошком, из которого ученые вырастили кристалл для рентгеноструктурного анализа. Это один из рентгеновских методов, позволяющий с большой точностью установить положение атомов в кристаллической решетке. Диаметр пояса, по данным исследователей, был равен 8,324 ангстрема. Не все шестиугольники — бензольные кольца — обладали одинаковыми электронными свойствами. По словам химиков, «склеивающие» шестиугольники обладали лишь слабой ароматичностью. Также соединение обладало красной флуоресценцией.

Ранее мы сообщали о синтезе других необычных структур из бензольных колец. Так, недавно химики из США и Германии впервые выделили гептацен — «гусеницу» из семи бензольных колец. А группа исследователей из IBM и Уорикского университета с помощью манипуляции отдельными атомами получила триангулен. Эта молекула похожа на «пирамиду» из шести «склеенных» шестиугольников. Она интересна тем, что в ней нельзя «правильно» расставить двойные связи — триангулен может существовать только в виде бирадикала.

Владимир Королёв