Химики из Национального университета Сингапура (NUS) синтезировали новый класс углеродных наноструктур: полностью π-сопряжённые углеродные наноленты (CNBs) с пятиугольными фрагментами в структуре. Это достижение решает давнюю задачу в молекулярном дизайне и открывает новые возможности для органических полупроводников и квантовых материалов следующего поколения.
Под руководством доцента ЧИ Чуньян из химического факультета NUS исследовательская группа разработала CNBs с неальтернантными углеродными каркасами, которые обеспечивают улучшенную делокализацию электронов и уникальные электронные свойства. Работа опубликована в журнале [Nature Synthesis](https://www.nature.com/articles/s44160-025-00797-5).
Углеродные наноленты (CNBs) — это кольцевые углеродные молекулы, напоминающие короткие сегменты углеродных нанотрубок.
Большинство ранее описанных CNB состояли из бензольных колец, расположенных таким образом, что ограничивали поток электронов локализованными участками. Чтобы преодолеть это ограничение, команда NUS включила пятичленные циклопентадиенильные звенья — неальтернантные структуры, которые вносят кривизну и умеренную деформацию, позволяя электронам более свободно перемещаться по молекуле.
Доцент Чи сказал: «Наша цель состояла в том, чтобы создать CNB, которые были бы не только структурно новыми, но и функциональными с точки зрения электроники. Встраивание неальтернантных звеньев стало ключом к раскрытию новых электронных свойств».
Исследователи создали эти новые наноленты с помощью тщательно разработанного многоступенчатого химического процесса. Они начали со сборки молекулярных строительных блоков с помощью реакции Дильса — Альдера, за которой последовал ключевой шаг по удалению кислородных атомов для формирования стабильных, полностью сопряжённых кольцевых структур.
Этот метод позволил успешно получить два углеродных наноленты, которые излучают яркий красный свет под ультрафиолетовым излучением и имеют небольшие энергетические зазоры. Эти характеристики делают их весьма подходящими для использования в органических светоизлучающих диодах и солнечных элементах.
Один из полученных CNB также может быть химически окислен до заряженной формы, которая демонстрирует синглетное основное состояние с открытой оболочкой — необычную электронную конфигурацию, связанную с глобальной ароматичностью. Теоретические исследования показывают, что это состояние ведёт себя как два слабо связанных [32]аннулена с ароматичностью типа Бэрда по краям, предлагая новые идеи о поведении заряда и спина в изогнутых углеродных системах.
«Наши открытия предоставляют новую платформу для изучения поведения коррелированных электронов в системах на основе углерода. Это представляет собой значительный шаг вперёд в переосмыслении того, как мы проектируем и используем углеродные наноструктуры в будущих технологиях», — добавил доцент Чи.
Предоставлено Национальным университетом Сингапура.