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本研究中合成的莫比烏斯碳納米帶的結構。圖片來源：瀬川泰知等人/《自然·合成》

構建結構均勻的納米碳對于納米技術、電子學、光學和生物醫學應用中的功能材料的發展至關重要。據近日發表在《自然·合成》雜志上的論文，日本名古屋大學研究團隊已合成了一種帶狀分子納米碳，具有扭曲的莫比烏斯帶拓撲結構，即莫比烏斯碳納米帶。

分子納米碳科學是一種自下而上使用合成有機化學制造納米碳的方法。然而，迄今為止合成的分子納米碳僅具有簡單的結構，例如環狀、碗狀或帶狀。為了實現未知的和理論上預測的納米碳，有必要開發新方法來合成具有更復雜結構的分子納米碳。

2017年，名古屋大學研究團隊歷經60年首次化學合成碳納米帶，這是一種超短碳納米管。之后，莫比烏斯碳納米帶成為科學界夢寐以求的目標。

“與具有正常帶狀拓撲結構相比，這種扭曲的莫比烏斯碳納米帶應會表現出完全不同的特性和分子運動。然而，創造這種扭曲的結構說起來容易做起來難。”研究團隊負責人伊丹健一郎說，從之前的碳納米帶合成中得知，應變能是合成過程中最大的障礙。此外，帶狀結構內的額外扭曲使最終目標分子的應變能更高。

通過對莫比烏斯碳納米帶的帶狀和扭曲分子結構產生的巨大應變進行理論分析，研究團隊確定了合理的合成路線，最終通過14個化學反應步驟合成了莫比烏斯碳納米帶，包括新開發的官能化反應、Z-選擇性維蒂希反應序列和應變誘導鎳介導的同源偶聯反應。光譜分析和分子動力學模擬表明，在溶液中，莫比烏斯帶的扭曲部分在溶液中圍繞莫比烏斯碳納米帶分子快速移動。利用手性分離和圓二色光譜，從實驗上證實了莫比烏斯結構的拓撲手性。

研究人員表示，新形式的碳和納米碳不斷地為新的科技打開大門，并導致了往往不可預知的非凡的特性、功能和應用的發現。這項工作為開發具有復雜拓撲結構的納米碳材料及使用莫比烏斯拓撲學的創新材料科學的誕生鋪平了道路。