首次合成莫比乌斯碳纳米带

构建结构均匀的纳米碳对纳米技术、电子、光学和生物医学应用中功能材料的发展非常重要。根据最近发表在《自然合成》期刊上的论文，日本名古屋大学的研究团队合成了一种带状分子纳米碳，它具有扭曲的莫比乌斯带拓扑结构，即莫比乌斯碳纳米带。

分子碳科学是一种自下而上的利用合成有机化学生产纳米碳的方法。然而，迄今为止合成的分子纳米碳只有简单的结构，如环、碗或带。为了实现未知的和理论预测的纳米碳，有必要开发新的方法来合成具有更复杂结构的分子纳米碳。

2017年，名古屋大学的研究团队60年来首次化学合成了碳纳米带，这是超短碳纳米管。之后，莫比乌斯碳纳米带成为科学界梦寐以求的目标。

“与正常的带状拓扑相比，这种扭曲的莫比乌斯碳纳米带应该表现出完全不同的特征和分子运动。然而，创建这种扭曲的结构说起来容易做起来难。”研究小组的负责人Kenichiro Yidan表示，从以往碳纳米带的合成来看，应变能是合成过程中最大的障碍。此外，带状结构中的额外扭曲使得最终目标分子的应变能更高。

通过对Mobius碳纳米带的带状和扭曲的分子结构引起的巨大应变的理论分析，研究团队确定了合理的合成路线，并通过14个化学反应步骤最终合成了Mobius碳纳米带，包括新开发的功能化反应、Z选择性Wittig反应序列和应变诱导镍介导的同源偶联反应。光谱分析和分子动力学模拟表明，在溶液中，莫比乌斯带的扭曲部分在莫比乌斯碳纳米带分子周围快速移动。通过手性分离和圆二色光谱实验证实了Mobius结构的拓扑手性。

研究人员表示，新形式的碳和纳米碳不断打开新技术的大门，并导致发现通常不可预测的非凡特性、功能和应用。这项工作为发展具有复杂拓扑结构的纳米碳材料和利用Mobius拓扑的创新材料科学的诞生铺平了道路。