結び目(ノット)や絡み目(カテナン)をもつ分子ナノカーボンの合成を、名古屋大学の伊丹健一郎教授らが率いる研究グループが世界で初めて成功させた。

 グラフェンやカーボンナノチューブなど、ナノメートルサイズの周期性を持つ炭素物質「ナノカーボン」は、軽量で高機能な次世代材料として期待されている。

 しかし、ナノカーボンの部分構造となる分子(分子ナノカーボン)は、これまで比較的単純な構造のものしか合成が成功しておらず、結び目、絡み目などの複雑な幾何学構造(トポロジー)をもつ「トポロジカル分子ナノカーボン」の合成には至っていなかった。

 本研究では、ケイ素原子を用いる新たな方法によって、炭素の結び目「オールベンゼンノット」、炭素の絡み目「オールベンゼンカテナン」の世界初の合成に成功した。従来法では、窒素原子や酸素原子などを足がかりとしてトポロジカルな構造を誘導していたが、本研究の合成戦略では後にフッ素処理によって除去できるケイ素原子を「仮留め」に用いた。これにより、最終的に炭素骨格のみからなるトポロジカル分子ナノカーボンが得られた。

 研究グループは続けて、合成に成功したオールベンゼンノットとオールベンゼンカテナンの構造をX線結晶構造解析で確認した上、結び目や絡み目に由来する特異な光物性や動的挙動をもつことも明らかにした。これらの性質は、合成・単離できなければ発見が極めて困難なものだという。

 本成果は、理論化学的に予測されている複雑なトポロジーをもつ未踏のナノカーボンの設計・合成に道をひらく画期的な成果といえる。

論文情報:【Science】Topological molecular nanocarbons: all-benzene catenane and trefoil knot

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