Химики из Национального университета Сингапура совершили прорыв, создав принципиально новый тип углеродных наноструктур – углеродные наноленты. Эти молекулы напоминают крошечные отрезки углеродных нанотрубок, но их внутренняя структура кардинально иная. В отличие от большинства известных нанолент, собранных из шестиугольных бензольных колец, новые структуры содержат встроенные пятиугольные ячейки. Эта, казалось бы, небольшая деталь меняет все.

Подробности опубликованы в издании Nature Synthesis.

Руководитель исследования, доцент Чи Чунянь, объясняет суть открытия:

Мы стремились создать наноленты, которые были бы не просто структурным курьезом, а обладали бы ценными электронными свойствами. Введение пятиугольных звеньев стало ключом к новым возможностям.

Ранние версии нанолент ограничивали движение электронов, запирая их на небольших участках. Пятиугольники вносят искривление и умеренное напряжение в структуру, но зато позволяют электронам легко «путешествовать» по всей молекуле. Это похоже на замену узких проселочных дорог на скоростное шоссе для электронов.

Ученые синтезировали эти молекулы в несколько этапов. Сначала они собрали основные блоки, а затем провели ключевую реакцию по «удалению» кислорода, чтобы получить стабильные замкнутые структуры. В результате получились две новые наноленты.

• Они ярко светятся красным светом под ультрафиолетом.
• Обладают очень маленькой запрещенной зоной – это энергетический барьер, который должны преодолеть электроны для проводимости.

Эти характеристики сразу делают их перспективными кандидатами для создания органических светодиодов и солнечных батарей.

Одна из нанолент проявила и вовсе необычные свойства. После химического окисления она переходит в особое электронное состояние с неспаренными электронами. Теоретические расчеты показывают, что в этой форме молекула ведет себя как две связанные ароматические ленты, что приводит к глобальной ароматичности и новому типу поведения для заряда и спина.

Наша работа открывает новые горизонты для изучения коллективного поведения электронов в углеродных системах. Мы пересматриваем сами принципы проектирования углеродных наноматериалов для технологий завтрашнего дня, – подводит итог доцент Чи.

Польза этого исследования лежит в фундаментальной плоскости управления свойствами материалов. Сегодня мы упираемся в ограничения классического кремния в микроэлектронике. Органическая электроника предлагает гибкость, легкость и потенциально низкую стоимость, но часто проигрывает в эффективности. Данная работа – шаг к созданию органических полупроводников с рекордными характеристиками. Конкретная практическая польза может проявиться в:

• Сверхэффективных OLED-дисплеях: Яркое красное свечение и малая запрещенная зона могут привести к созданию пикселей для телевизоров и смартфонов с меньшим энергопотреблением и более чистым цветом.
• Гибкой и прозрачной электронике: Такие наноленты можно будет «вплетать» в ткани для создания „умной“ одежды или наносить на гибкие подложки для складных устройств.
• Квантовых технологиях: Необычное открытооболочечное состояние с управляемыми спинами – это кирпичик для будущих квантовых компьютеров на молекулярном уровне, где носителем информации выступает не заряд, а спин электрона.

Сомнение лежит в области практического применения. Исходная статья описывает блестящий фундаментальный синтез, но умалчивает о масштабируемости процесса. Многостадийный синтез, особенно с критической реакцией удаления кислорода, может быть чрезвычайно сложным и дорогим для воспроизведения в промышленных масштабах. Выход конечного продукта, скорее всего, исчисляется миллиграммами. Прежде чем говорить о коммерческих устройствах, химикам предстоит решить гигантскую задачу: как сделать синтез этих нанолент простым, дешевым и пригодным для производства килограммовыми партиями.

Ранее ученые открыли катализаторы, собранные из нанокубиков.