- 名古屋大學透過骨架編輯技術合成手性納米碳。
- 新型納米碳能在高溫下維持形狀，具引人注目的物理特性。
- 這一發現改變了對碳分子內部結構的認知，開啟新材料設計範疇。
- 新材料可能應用於超低功耗計算及氣候清洗裝置。
日本名古屋大學在化學領域取得突破，透過骨架編輯技術進行納米碳合成。該團隊不再僅限於碳分子的外邊緣，而是切斷並重組平面剛性碳分子內部的鍵結，以構建複雜且以前無法實現的內部結構。這種新穎的方法合成了獨特的手性納米碳，這些是存在於不可重疊的左手和右手鏡像中的複雜分子形狀。
納米碳是微小的碳結構，為未來材料奠定基礎。然而，化學中有一條不成文的法則：不可以幹擾碳片的內部。平面碳分子因內部的鍵結而變得剛性，將它們鎖定在平面六邊形網格中。若強行改變中心，強烈的結構應力將使分子破裂。因此，合成化學家選擇了安全的路徑，僅通過在外邊緣拼接較小的碳片來構建下一代材料。在這一新成果中，團隊採用了被稱為骨架編輯的精確化學手術。這種技術在藥物開發中已被廣泛使用，化學家在藥物化合物中置換單個原子，以微調其與人體的互動。
將其應用於笨重的非生物納米碳曾被認為是不可能的挑戰。
手性納米碳的創新合成
名古屋團隊證明瞭懷疑者的看法是錯誤的。透過精確選擇起始分子和反應，內部的鍵結被切斷並重組成不同的形狀。其中的創造包括嵌入手性框架中的一個龐大的 10 碳環——這在以前被認為是不可能的結構成就。此外，還有一種類似迷你 DNA 螺旋的分子雙螺旋。這些分子是「手性」的，存在於獨特的左手和右手形式，就像人手一樣。生成特定的左手或右手形式的大型納米碳以如此高的精度（不對稱合成）僅有過兩次的成功案例。
這些新合成的架構顯示出引人注目的物理特性。當暴露在光線下時，這些納米碳會發出緊緊螺旋的光。兩種合成變體能夠在不分解的情況下吸收並儲存多個電荷。另一種則能在高達 280°C（536°F）的温度下維持其扭曲形狀。最引人注目的是，雙螺旋分子自組裝成一個多孔的晶體框架，內部充滿螺旋通道。這些微觀的孔洞可以選擇性地捕獲和釋放二氧化碳，使該材料成為碳捕獲和氣體儲存系統的有前景候選者。
改變碳分子內部的潛力
名古屋大學研究生院的副教授福井則仁指出：「如果改變分子的內部，會造成顯著的應力，因此大多數反應會圍繞分子進行。隨著時間的推移，這導致人們認為內部無法被修改。然而，通過正確的方法和適合的起始分子，我們可以改變內部並創造出以前無法製造的分子形狀和結構。」這一發現開啟了材料設計的新範疇，證明瞭碳片可以在不破壞的情況下進行內部編輯。未來應用可能涵蓋超低功耗計算元件、高級光學加密設備及先進的氣候清洗裝置。
該研究成果已發表於《自然通訊》期刊。
新材料設計的潛在影響
名古屋大學的研究突破了傳統對碳分子結構的認知，顯示出納米碳不僅能夠被改造，還能生成新型手性結構。這些新合成的納米碳具備優異的物理性能，能在高溫下穩定存在，並且能夠有效捕獲二氧化碳，這使其成為應對氣候變化的潛在解決方案。此外，這項技術的應用可能會推動超低功耗電子技術的發展，對未來材料科學和工程領域產生深遠影響。