第一个莫比乌斯碳纳米带

回顾历史，新形式的碳和纳米碳一直不断为我们打开新的科学和技术的大门，它们很多都带来了非同寻常、且往往是超出预测的特性、功能和应用。

在纳米碳科学领域中，为了适当地将结构和功能联系在一起，构造出结构均匀的纳米碳，且最好是单分子形式的，一直是一个巨大的挑战。科学家用到的重要工具之一就是分子纳米碳科学，它是一种自下而上的方法，利用合成有机化学来创造纳米碳。

但先前，合成的分子纳米碳结构通常比较简单，比如环状、碗状或带状结构。为了构造出全新的或者理论上预测的纳米碳，科学家始终尝试开发新的方法，合成具有更复杂结构的分子纳米碳。

莫比乌斯碳纳米带。（图／Nagoya University）

近日，一组科学家实现了一大突破，他们合成了第一个具有扭曲的莫比乌斯带状拓扑结构的带状纳米碳分子，也就是所谓的莫比乌斯碳纳米带（MCNB），为开发具有复杂拓扑结构的纳米碳材料铺平了道路。

莫比乌斯碳纳米带

2017年，研究团队曾报道成功构造出了第一个化学合成的碳纳米带。它可以理解成一段超短碳纳米管，最小只有3个原子的厚度。

如果我们把碳纳米管形象地想象成一根香肠，按理来说，把它切成一片一片的，就可以从碳纳米管上得到纳米带。但问题是，这些材料太小了，纳米尺度强大的分子内力让这种方法很难实现。

团队于是另辟蹊径，他们通过一系列化学反应，从较小的分子单元集合中，一块一块地组装起了碳纳米带。

带状拓扑结构与莫比乌斯拓扑结构的比较（上），以及具有这些拓扑结构的碳纳米带结构（下）。（图／Nagoya University）

有了碳纳米带的成功作为基础，他们自然而然地开始探索更高难度的挑战。就像我们每天系上的皮带一样，如果这条“分子皮带”被扭转拉紧时，又会发生什么。

然而，创造这种扭曲的结构说起来容易，做起来却并不简单。从先前的碳纳米带的合成中，研究人员已经注意到，应变能是合成中最大的障碍。此外，带状结构内的额外扭曲会让最终的目标分子的应变能变得更高。

想要获得这样的结构，就需要对分子设计和对反应条件进行详细的检查。通过对莫比乌斯碳纳米带的带状结构和扭曲的分子结构产生的巨大应变进行的理论分析，研究人员最终确定了合理的合成路径。

研究中合成的莫比乌斯碳纳米带结构。（图／Yasutomo Segawa, et al., Nature Synthesis）

莫比乌斯碳纳米带是通过14步化学反应步骤合成的，包括新开发的功能化反应、Z-选择性维蒂希反应序列和应变诱导的镍介导的自身偶联反应。

莫比乌斯碳纳米带的模拟动态运动。（图／Yasutomo Segawa, et al., Nature Synthesis）

这是一个令人印象深刻的美丽分子。科学家认为，这样一种扭曲的莫比乌斯碳纳米带与那些正常的带状拓扑结构相比，应当表现出相当不同的特性和分子运动。

光谱分析和分子动力学模拟显示，在溶液中莫比乌斯带的扭曲部分围绕着莫比乌斯碳纳米带分子快速移动。借助手性分离和圆二色光谱术，源自莫比乌斯结构的拓扑手性通过实验得到了证实。

更多“梦想分子”

如今，碳纳米管已经是一种炙手可热的材料，它可以用于制造新型计算机芯片，甚至添加到纺织品中，从而制造出具有不寻常特性的织物。现在，科学家将会继续探索这种独特的扭曲的碳纳米带的应用场景。

但更重要的是，新研究开发出的开创性技术和手段，可以帮助研究人员构建出更多微型碳结构，尤其是那些相对复杂的结构，从而带来更多创新的“梦想分子”。

#创作团队：

撰文：Takeko

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.itbm.nagoya-u.ac.jp/en/research/2022/05/post-43.php

https://www.newscientist.com/article/2321185-tiny-mobius-strip-fashioned-from-carbon-nanotube-building-blocks/

https://www.sciencenews.org/article/mobius-strip-carbon-atoms-chemistry

#图片来源：

封面图&首图：Nagoya University