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記者1月16日從天津師范大學獲悉，該?；瘜W學院李春舉教授團隊在納米碳材料基礎合成領域取得重要進展，發(fā)展了一種名為“擴展聯苯芳烴分子內偶聯法（ICEB）”的創(chuàng)新合成策略，成功實現了對環(huán)對苯撐（CPPs）這類關鍵納米環(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合成工具，相關研究成果近期發(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，同時擁有卓越的導電和導熱性能。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“納米導彈”，許多科幻場景的實現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（螺旋結構）和長度，導致產品性能不均，嚴重制約了其高端應用。

解決這一世界性難題的一種潛在可行思路是“分子制造”，即從最基礎的化學結構單元開始，像搭積木一樣精準構建。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，理論上能夠獲得結構精確、性能一致的碳納米管。因此，高效、可定制地合成結構多樣的CPPs，是“分子制造”精準合成碳納米管的必經之路。

然而，CPPs的合成仍面臨嚴峻挑戰(zhàn)。由于其獨特的環(huán)狀結構具有顯著的環(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步驟繁瑣、產率偏低以及依賴貴金屬催化劑等問題，整體合成工藝復雜、成本高昂。

面對這一挑戰(zhàn)，李春舉教授團隊聯合南開大學蔡康教授、郭東升教授及美國德克薩斯大學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“先構建一個松弛的大環(huán)，再將其收緊”。研究團隊首先設計并合成了結構相對寬松、易于修飾的“擴展聯苯芳烴”作為大環(huán)前體，然后通過高效的分子內偶聯反應，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。”李春舉形象地解釋道。ICEB策略巧妙規(guī)避了直接構建高張力環(huán)的能壘，使得合成過程更加簡單高效，產率顯著提升。

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構單元或引入特定的功能基團，從而“定制化”地生產出不同尺寸、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種結構各異的CPPs納米環(huán)，并實現了對其光吸收、熒光發(fā)射等物理性質的精細調控。

“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，更為碳納米籠、復雜碳納米管片段乃至其他應變納米碳材料的理性設計與可控合成開辟了新路徑?！?/p>

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