中国粉体网讯 化学家尝试合成碳纳米带的研究已经超过了60年，但至今仍没有成功。名古屋大学的一个小组在科学杂志中报告了碳纳米带的首次有机合成。预计碳纳米带能够用来构建碳纳米管，这开辟了一个新的纳米碳科学研究领域。
图中展示的为碳纳米带。 荣誉：名古屋大学
名古屋大学JST-ERATO伊丹分子纳米碳工程研究所和生物分子转化研究所（ITbM）共同开发出了直径为0.83纳米（nm）的全新纳米带。自二十世纪五十年代以来，世界各地的科学家一直在努力合成碳纳米带，其中伊藤仁一郎教授的团队研究其合成已经进行了12年。
Segawa是该研究团队的一名领导者，并且参与其合成已经有了七年半之久，说道：“没有人知道其有机合成是否能够成功，然而，我对这个神秘的分子合成倾注了很多心血。”
碳纳米带是由稠合苯环构成的带状分子，而该笨环是由6个碳原子构成的芳香环。碳纳米带是碳纳米管的一部分，由于其独特的物理特性，它们在电子和光子学中具有许多不同的应用。
当前的合成方法产生的碳纳米管具有不均匀的直径和侧壁结构，这可以改变它们的光电性质。这些使得分离和纯化具有特定直径、长度和侧壁结构的单个碳纳米管非常困难。因此，能够精确控制结构均匀的碳纳米管的合成将有助于开发新型和高功能的材料。
图1.具有不同直径和侧壁结构的碳纳米管。 荣誉：名古屋大学
碳纳米带已被提出用来构建结构均匀的碳纳米管。然而，由于其非常高的应变能，使得合成碳纳米带具有一些挑战。这是因为苯在直链时是稳定的，但是当它们经受环的融合扭曲时就会变得不稳定。
为了克服这个问题，JST-ERATO项目的博士后研究员Guillaume Povie与JST-ERATO项目的组长Yasutomo Segawa和JST-ERATO项目主管兼ITbM中心主任Kenamiiro Itami共同从易于获得的前体，成功地对二甲苯（在1,4-（对 - 位）中具有两个甲基的苯分子）进行的11个步骤中首次化学合成碳纳米带。
这一合成成功的关键在于其利用具有相对低的环形应变的大环前体进行了带状形成。在他们的合成方法中，团队用10个步骤起初对二甲苯制备了大环前体，并通过偶联反应形成了带状芳族化合物（图3）。 其中镍对于调节耦合过程至关重要。
Povie说：“这个研究中最困难的部分是大环前体的关键耦合反应。 这个反应日复一日，我花了三到四个月的时间来测试各种条件，我一直相信有志者事竟成。”
图2.是使用碳纳米带作为模板的碳纳米管生长的常用方法。荣誉：名古屋大学
2015年，伊丹在其ERATO项目中发起了一项新设想，其中特别关注碳纳米管的合成。在俗称的“腰带节”中，10多名研究人员参与了该项目并提出了碳纳米管各种新的合成方法。2016年9月28日，即节日后的一年，碳纳米管结构终于在伊藤集团成员面前通过X光晶体学被揭示。在X射线分析期间，每个人都盯着屏幕呼吸，当碳纳米管的圆柱形状图像出现在屏幕上时，他们欢呼了起来。 伊丹、Segawa和Povie共同击掌来表示他们的喜悦。
“这是我一生中最激动人心的时刻，我永远不会忘记它，”伊丹说，“由于这是长达十年的研究成果，我非常感谢所有过去和现在小组成员的支持和鼓励，感谢所有成员的努力、韧性、意志和坚持，我们最终取得了成功。”
图3.二甲苯合成碳纳米带的11个步骤。荣誉：名古屋大学
合成的碳纳米带是一种红色固体并且带有深红色的荧光。通过X射线晶体学分析显示，碳纳米带具有与碳纳米管相同的圆柱形形状（如图4所示）。研究人员还通过紫外 - 可见吸收荧光和拉曼光谱研究以及理论计算测量了它的光吸收和发射，电导率和结构刚度。
“实际上，合成部分于去年8月份完成，但是无法确定碳纳米管的X射线结构，”Povie说，“当我看到X光结构时，我真的很兴奋。”
图4.从左到右依次是碳纳米管的X-射线结构、室内光下的碳纳米管晶体、紫外光下的碳纳米管晶体。荣誉：名古屋大学
碳纳米管将在未来发布应用于市场。Segawa和Itami说：“我们期待与来自世界各地的研究人员一同探究碳纳米管的新特性和新功能。”
