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夢の筒状炭素分子「カーボンナノベルト」の合成に成功 ~単一構造のカーボンナノチューブの実現に道を拓く~

 国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)と名古屋大学は2017年4月14日,JST戦略的創造研究推進事業ERATO 伊丹分子ナノカーボンプロジェクトにおいて,プロジェクトの研究総括である名古屋大学 トランスフォーマティブ生命分子研究所(WPI-ITbM)拠点長 伊丹 健一郎 教授らが,カーボンナノチューブ(CNT)の部分構造を持つ筒状炭素分子「カーボンナノベルト」の世界初の合成に成功したと発表した.本研究成果は,米国科学誌Scienceのオンライン速報版で公開された(注).

 CNTは,炭素(C)の六員環ネットワーク(グラフェンシート)が太さ1~数10nm,長さ数µm~数mmの同軸管状になった物質である.軽量で,鉄の20倍の強度を持ち,熱や電気の良導体であり,半導体性も示すため,多方面への応用が期待されている.その特性は直径や構造に依存するが,現在の製法ではさまざまな直径と構造を持つCNTの混合物しか得ることができない.これに対し,有機合成によってCNTの部分構造(極短いCNT)を正確に合成できれば,それを「種」として伸長させることにより,単一構造のCNTを得ることが可能になる.一方,ベンゼン環同士が互いに辺を共有して(縮環して)筒状の構造を構成したカーボンナノベルトが60年前から知られ,CNT発見後にはその部分構造であることも分かった.しかし,平面構造が最も安定であるベンゼン環が筒状に曲がって大きな歪みが生じているため,カーボンナノベルトは不安定で合成困難な夢の分子とされてきた.

 これに対し本研究グループは,初めにひずみのないベルト状分子を合成し,次に炭素炭素結合形成反応によってカーボンナノベルトに変換するという戦略を用いることにより,カーボンナノベルトの合成に成功した.安価な石油成分であるパラキシレンからひずみのないベルト状分子の部品となる2つの化合物を合成し,これらを順番に結合させていくことで,ベンゼン環6個を臭素原子(Br)からなる架橋部位を介してひずみなく環状に連結する.この分子設計の特徴は,最終段階でカーボンナノベルトに縮環する全ての炭素原子に,反応性を高める「タグ」であるBrを結合させたことである.このため最終段階で,ニッケル錯体を用いて2つの近接した炭素臭素結合を切断して,1つの炭素炭素結合に変換する反応が可能になり,カーボンナノベルトを合成することに成功した.

 合成されたカーボンナノベルトは,X線構造解析により,CNTと同様の円筒形構造であることが確認された.また,紫外光及び可視光の吸収,蛍光の分析,ラマン分光法,理論解析により,基本的な光学特性を明らかにできたという.紫外光を当てると赤く光るので,半導体や赤色蛍光物質として応用可能な物質と見られる.

 カーボンナノベルト合成の成功は,単一構造のCNT合成を実現に近づけるとともに,赤色蛍光を発する有機分子であることが見出されたように,新しい機能性材料の開発に道を拓くものとしている.

(注)Guillaume Povie, Yasutomo Segawa, Taishi Nishihara, Yuhei Miyauchi, and Kenichiro Itami, "Synthesis of a Carbon Nanobelt", Science, 14 Apr 2017, Vol. 356, Issue 6334, pp. 172-175, DOI: 10.1126/science.aam8158