Zigzag-nanoriem van één laag koolstof snoert buisjes

Chemie Nanoriemen zijn nodig om nanobuizen met uniforme diameters te produceren. „Dit is een meesterwerk op nanoschaal. ”

Mengsel van nanobuisjes. Nanobuisjes bestaan uitsluitend uit een buis van enkellaags koolstof. Deze foto is gemaakt met een scanning elektronenmicroscoop.
Mengsel van nanobuisjes. Nanobuisjes bestaan uitsluitend uit een buis van enkellaags koolstof. Deze foto is gemaakt met een scanning elektronenmicroscoop. Science Photo Library

Moleculaire riemen die een miljoen keer dunner zijn dan een haar en uit koolstofatomen bestaan. Die zijn gefabriceerd door Japanse onderzoekers aan de Nagoya University. Ze schreven erover maandag in Nature Chemistry. Dit soort ‘nanoriemen’ zijn nodig om een ‘nanobuis’ te maken.

Nanobuizen zijn al veelvuldig in gebruik vanwege hun eigenschappen. Ze leveren ijzersterke materialen op. En ze zouden handig zijn in elektronica: sommige nanobuizen geleiden stroom duizend keer beter dan koper.

Op dit moment ontstaan bij de productie van nanobuizen mengsels van buizen van verschillende diameters. Om ze te gebruiken als stroomgeleiders, moeten buizen uitsluitend van dezelfde grootte gemaakt worden. Scheiden tot je buizen van dezelfde diameter hebt is moeilijk en duur. Een nanoriem lost dit op: je kunt ze als startpunt gebruiken waaruit maar één formaat buis kan groeien.

De moleculaire structuur van een nanoriem is een ring van ringvormige koolstofverbindingen. Het maken van zo’n nanoriem is scheikundig niet makkelijk. In veel ringvormige moleculen worden hoeken tussen atomen zo opgerekt of in elkaar geduwd, dat het molecuul instabiel wordt. Ook bij het maken van een nanoriem worden bindingen in hoeken geduwd die energetisch ongunstig zijn. Dat is al helemaal het geval bij het specifieke type nanoriem dat de onderzoekers maakten: de ‘zigzag-nanoriem’.

„De zigzag-nanoriem is als eerste bedacht, maar als laatste gemaakt”, vertelt Yasutomo Segawa, co-auteur van de studie. Theoretisch scheikundigen bedachten al in 1954 dat deze ‘zigzag-nanoriem’ gemaakt zou kunnen worden. Later werden nog twee andere varianten bedacht: een chirale en een stoel-nanoriem. Vanwege de moeilijke hoeken in het molecuul was het nog nooit gelukt om de zigzagvariant te maken.

„De studie is een prachtig stukje chemische synthese”, zegt Andreas Herrmann. Hij is hoogleraar macromoleculaire materialen en systemen aan de Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule in Aken. De auteurs gebruiken een „elegante strategie” om de moeilijke hoek tussen bindingen te maken. Daarvoor wordt eerst een flexibel cyclisch molecuul gemaakt, dat pas in de laatste stap wordt omgezet naar een stugge ring.

De studie bouwt voort op een basis van jarenlang werk met moeilijke scheikunde, vertelt Ryan Chiechi. Hij is groepshoofd van een vakgroep in organische materialen en apparaten aan de Rijksuniversiteit Groningen. „De studie laat het belang zien van slimme scheikunde voor de ontwikkeling van nieuwe materialen en nanotechnologie.”

Los van de mogelijke toepassingen is voor chemici de esthetiek van de nanoriem al opwindend. Een nanotube bestaat uit uitsluitend koolstof. Er zijn maar een paar stoffen denkbaar die volledig uit koolstof bestaan, en helemaal geen waterstof of zuurstof bevatten. Het bekendste voorbeeld is diamant. Herrmann staat ook stil bij de scheikundige schoonheid: „Het is bevredigend om te kijken naar deze perfecte ringvormige structuur, die een miljoen keer dunner is dan een haar. Een synthetisch meesterwerk op nanoschaal.”