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記者1月16日從天津師范大學(xué)獲悉，該校化學(xué)學(xué)院李春舉教授團隊在納米碳材料基礎(chǔ)合成領(lǐng)域取得重要進展，發(fā)展了一種名為“擴展聯(lián)苯芳烴分子內(nèi)偶聯(lián)法（ICEB）”的創(chuàng)新合成策略，成功實現(xiàn)了對環(huán)對苯撐（CPPs）這類關(guān)鍵納米環(huán)分子的精準、高效與多樣化合成。該成果為未來按需定制碳納米管這一“黑色黃金”材料提供了可能的化學(xué)合成工具，相關(guān)研究成果近期發(fā)表在國際期刊《自然·合成》上。

碳納米管被譽為“工業(yè)味精”和“黑色黃金”，是未來尖端科技的核心材料之一。它的直徑僅為頭發(fā)絲的萬分之一，強度卻是鋼的100倍，同時擁有卓越的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。從更靈活的機器人、續(xù)航更久的電動汽車，到可折疊的透明屏幕、精準給藥的“納米導(dǎo)彈”，許多科幻場景的實現(xiàn)都離不開這種神奇材料。

然而，傳統(tǒng)的碳納米管制備方法如同“盲目生長”，難以精確控制其直徑、手性（螺旋結(jié)構(gòu)）和長度，導(dǎo)致產(chǎn)品性能不均，嚴重制約了其高端應(yīng)用。

解決這一世界性難題的一種潛在可行思路是“分子制造”，即從最基礎(chǔ)的化學(xué)結(jié)構(gòu)單元開始，像搭積木一樣精準構(gòu)建。環(huán)對苯撐（CPPs）正是這樣一個理想的“種子”單元。李春舉介紹，它由多個苯環(huán)首尾相連形成一個納米尺度的剛性圓環(huán)，可以被看作是碳納米管最短的一節(jié)“標準車廂”。以CPPs為模板進行延伸生長，理論上能夠獲得結(jié)構(gòu)精確、性能一致的碳納米管。因此，高效、可定制地合成結(jié)構(gòu)多樣的CPPs，是“分子制造”精準合成碳納米管的必經(jīng)之路。

然而，CPPs的合成仍面臨嚴峻挑戰(zhàn)。由于其獨特的環(huán)狀結(jié)構(gòu)具有顯著的環(huán)張力，類似于制備一個高度緊繃且精度要求極高的微型環(huán)狀物，傳統(tǒng)合成方法往往存在反應(yīng)步驟繁瑣、產(chǎn)率偏低以及依賴貴金屬催化劑等問題，整體合成工藝復(fù)雜、成本高昂。

面對這一挑戰(zhàn)，李春舉教授團隊聯(lián)合南開大學(xué)蔡康教授、郭東升教授及美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校團隊獨辟蹊徑，提出了ICEB合成新策略。該策略的核心創(chuàng)新在于“先構(gòu)建一個松弛的大環(huán)，再將其收緊”。研究團隊首先設(shè)計并合成了結(jié)構(gòu)相對寬松、易于修飾的“擴展聯(lián)苯芳烴”作為大環(huán)前體，然后通過高效的分子內(nèi)偶聯(lián)反應(yīng)，將這個“松弛的環(huán)”精準地“收緊”成為目標CPPs納米環(huán)。

“這種方法好比先編織一個較為松弛的繩圈，最后再均勻拉緊，比直接編織一個緊繃的繩圈要容易得多，也靈活得多?！崩畲号e形象地解釋道。ICEB策略巧妙規(guī)避了直接構(gòu)建高張力環(huán)的能壘，使得合成過程更加簡單高效，產(chǎn)率顯著提升。

更重要的是，該策略具備高度的“模塊化”和“可定制性”。研究人員可以像拼裝樂高積木一樣，在前體階段靈活更換不同的芳香結(jié)構(gòu)單元或引入特定的功能基團，從而“定制化”地生產(chǎn)出不同尺寸、不同電子特性的CPPs衍生物。利用這一強大工具，團隊一舉成功合成了20種結(jié)構(gòu)各異的CPPs納米環(huán)，并實現(xiàn)了對其光吸收、熒光發(fā)射等物理性質(zhì)的精細調(diào)控。

“這項研究為我們提供了一套強大而通用的合成‘工具箱’?！崩畲号e表示，“該研究不僅豐富了共軛納米環(huán)的合成化學(xué)，更為碳納米籠、復(fù)雜碳納米管片段乃至其他應(yīng)變納米碳材料的理性設(shè)計與可控合成開辟了新路徑。”

這項基礎(chǔ)研究方法學(xué)的突破，承載著將納米碳材料從實驗室的“珍品”轉(zhuǎn)變?yōu)榭删珳试O(shè)計的“工業(yè)品”的巨大潛力，為我國在未來新材料領(lǐng)域的競爭中奠定了重要的科學(xué)基礎(chǔ)。