文｜陈根

一直以来，构建结构均匀的单分子纳米碳都是科学家们的一大“梦想”。实现这一梦想的重要工具就是分子纳米碳科学。分子纳米碳科学是一种自下而上使用合成有机化学制造纳米碳的方法。然而，迄今为止合成的分子纳米碳仅具有简单的结构，例如环状、碗状或带状。

2017年，名古屋大学的研究人员首次成功合成了国际学界60年前理论上提出的筒状碳分子“碳纳米带”。该碳纳米带比同样为筒状结构的碳纳米管（CNT）短，直径约0．8纳米。经过多种分析证实它与CNT具有相似的结构及性质，显示出CNT的部分结构。

该研究中，科学家们主要通过迭代Witting反应合成环戊烯异构体CNT带段，再由镍介导的芳基－芳基偶联反应来合成包含完全融合的边缘共享苯环的闭环的碳纳米管。通过X射线晶体学证实该合成物具有圆柱形带结构，并利用紫外－可见吸收光谱、荧光光谱和拉曼光谱研究以及理论计算阐明了其基本光电特性。

近日，在此基础上，名古屋大学的研究人员又获得了新突破——成功合成一种带状的分子纳米碳，其具有扭曲的莫比乌斯带拓扑结构，即莫比乌斯碳纳米带。这样一个扭曲的莫比乌斯碳纳米带跟正常的带状拓扑结构相比，拥有相当不同的特性和分子运动。然而实现这种扭曲难度也非同小可。

首先，研究人员通过对莫比乌斯碳纳米带的带状和扭曲分子结构产生的巨大应变理论着手，确定了有效的合成路线；随后，研究人员通过14个化学反应步骤合成了莫比乌斯碳纳米带，包括新开发的官能化反应、Z－选择性维蒂希反应序列和应变诱导镍介导的同源偶联反应。

最终，据相关模拟显示，莫比乌斯带的扭曲分子在溶液中围绕莫比乌斯碳纳米带分子快速移动。也就是说，源自莫比乌斯结构的拓扑手性则在实验中用手性分离和圆二色光谱法得到了证实。

总的来说，该研究为具有复杂拓扑结构的纳米碳材料的发展奠定了基础；未来，将有利于纳米技术、电子学、光学和生物医学应用中的功能材料的开发。