Японские ученые из Университета Нагойи впервые синтезировали углеродную наноленту, скрученную в форме ленты Мёбиуса.
Получившая название в честь немецкого математика XIX века Августа Мёбиуса лента представляет собой одностороннюю поверхность: то есть муравей, сидящий на ленте Мёбиуса, сможет добраться до ее противоположной стороны, не переползая через край, а просто двигаясь вдоль ленты. Модель ленты Мёбиуса можно изготовить из полоски бумаги, если склеить ее в кольцо, предварительно перевернув один из концов.
Создать ленту Мёбиуса на молекулярном уровне гораздо труднее. «Углеродная нанолента Мёбиуса была молекулой мечты в научном сообществе после того, как мы сообщили о первом химическом синтезе углеродной наноленты — ультракороткой углеродной нанотрубки — в 2017 году», —говорит руководитель исследовательской группы Кенитиро Итами.
Углеродная нанолента Мёбиуса должна проявлять совсем другие свойства и молекулярные движения по сравнению с обычными углеродными нанолентами. «Из нашего предыдущего синтеза углеродных нанолент мы знали, что энергия деформации становится самым большим препятствием в синтезе. Кроме того, дополнительное скручивание в структуре ленты делает энергию деформации конечной молекулы-мишени еще выше. Ключом к успеху в реальном синтезе стал молекулярный дизайн и детальное изучение условий реакции», — рассказывает Ясутомо Сегава.
Рациональный синтетический маршрут был определен с использованием теоретического анализа огромной деформации, возникающей как из-за формы ленты, так и из-за скрученной молекулярной структуры. Синтез углеродной наноленты Мёбиуса потребовал четырнадцати стадий. Спектроскопический анализ и моделирование молекулярной динамики показывают, что поворотный фрагмент ленты Мёбиуса быстро перемещается вокруг молекулы. Настоящая работа является новаторским достижением, которое прокладывает путь к разработке наноуглеродных материалов со сложной топологической структурой и рождению инновационного материаловедения с использованием топологии Мёбиуса.
Исследование опубликовано в журнале Nature Synthesis.