Un gruppo di ricercatori dell’Università di Nagoya, in Giappone, ha sviluppato un nuovo modello di sintesi per il nanografene, un materiale di nuova generazione dalle grandi potenzialità

Il grafene è un materiale costituito da soli atomi di carbonio, ha uno spessore equivalente alle dimensioni di un singolo atomo ed è attualmente il materiale più sottile al mondo. È stato isolato e descritto nel 2004 da Andre Geim e Konstantin Novoselov, due fisici russi che grazie a questa scoperta hanno ricevuto il premio Nobel per la Fisica nel 2010. È diventato in breve tempo uno dei materiali di maggior interesse tra i ricercatori e, oltre a essere oggetto di numerosi studi. Negli ultimi tempi il nanografene, la singola unità di grafene, ha attirato la curiosità degli scienziati: lo studio di questo elemento potrebbe rivoluzionare la scienza dei materiali e un gruppo di ricercatori coordinati da Kenichiro Itami dell’Università di Nagoya, in Giappone, ha sviluppato un nuovo metodo per sintetizzare in modo rapido ed efficiente queste unità. I risultati del loro lavoro sono apparsi di recente su Nature.

Rispetto alla procedura per la sintesi del grafene, i processi che portano alla formazione dei singoli elementi che lo compongono sono più complicati: il nanografene può essere prodotto tramite deidrogenazione, rimuovendo in maniera selettiva gli atomi di idrogeno dalle molecole organiche composte da carbonio e idrogeno, oppure sfruttando soluzioni diverse, come alcune reazioni di accoppiamento, in un processo a più fasi che produce un’unica molecola di questo nanomateriale.

I nanografeni, come gli idrocarburi policiclici aromatici (Ipa), composti organici formati da atomi di carbonio e di idrogeno, possono presentare una conformazione apparentemente semplice, organizzata in strutture esagonali. Grazie a questa caratteristica i ricercatori hanno ipotizzato di mettere a punto facilmente una serie di possibili metodi di sintesi di questo materiale. Tuttavia, la maggior parte delle strutture possibili del nanografene non sono state ancora sintetizzate e in molti casi non è stato neanche possibile teorizzarle in maniera esaustiva: questo aspetto rende praticamente impossibile stabilire nel dettaglio quanti e quali possono essere i metodi di sintesi di queste piccolissime unità.

Per provare a risolvere questo problema, il gruppo di ricercatori guidato da Itami, ha lavorato alla reazione Apex (annulative π-extension), una reazione che utilizza idrocarburi policiclici aromatici come modelli per sintetizzare il nanografene, molto diversa dagli altri metodi di sintesi di questo materiale. Gli idrocarburi policiclici aromatici hanno tre aree ben distinte all’interno della loro struttura: la regione K, la regione M e la regione Bay. In una reazione Apex queste aree possono essere estese, producendo tre nanografeni distinti che possono essere ulteriormente modificati in una seconda reazione. Questo processo permette di sintetizzare un buon numero di nanografeni partendo da una singola molecola di idocarburo utilizzata come modello.

In precedenza, un gruppo di lavoro coordinato da Itami aveva già utilizzato la reazione Apex per la regione K e un altro gruppo di scienziati era riuscito a ottenere gli stessi risultati lavorando sulla regione bay. A questo punto, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione anche all’area M riuscendo a sintetizzare il nanografene, sfruttando tutte e tre le aree della struttura degli idrocarburi policiclici aromatici, e sono stati così in grado di produrre 13 unità diverse di nanografene, la maggior parte delle quali caratterizzate da strutture inedite.

Secondo i ricercatori, “molte proprietà dei nanografene non sono facilmente prevedibili, questa promettente strategia si è però dimostrata in grado di generare un’ampia diversità strutturale in modo programmabile e consentirà una maggiore comprensione delle relazioni che intercorrono tra la struttura e le proprietà di questo materiale. Ciò a sua volta aiuterà nella scoperta di molecole funzionali finora sconosciute e di nuove linee guida per la futura progettazione dei nanografeni basata sulle proprietà di questo materiale”.

Immagine in evidenza: struttura del grafene, ricostruzione in 3D (credit: pixabay.com)