科技日报记者 陈曦
记者1月16日从天津师范大学获悉，该校化学学院李春举教授团队在纳米碳材料基础合成领域取得重要进展，发展了一种名为“扩展联苯芳烃分子内偶联法（ICEB）”的创新合成策略，成功实现了对环对苯撑（CPPs）这类关键纳米环分子的精准、高效与多样化合成。该成果为未来按需定制碳纳米管这一“黑色黄金”材料提供了可能的化学合成工具，相关研究成果近期发表在国际期刊《自然·合成》上。
碳纳米管被誉为“工业味精”和“黑色黄金”，是未来尖端科技的核心材料之一。它的直径仅为头发丝的万分之一，强度却是钢的100倍，同时拥有卓越的导电和导热性能。从更灵活的机器人、续航更久的电动汽车，到可折叠的透明屏幕、精准给药的“纳米导弹”，许多科幻场景的实现都离不开这种神奇材料。
然而，传统的碳纳米管制备方法如同“盲目生长”，难以精确控制其直径、手性（螺旋结构）和长度，导致产品性能不均，严重制约了其高端应用。
解决这一世界性难题的一种潜在可行思路是“分子制造”，即从最基础的化学结构单元开始，像搭积木一样精准构建。环对苯撑（CPPs）正是这样一个理想的“种子”单元。李春举介绍，它由多个苯环首尾相连形成一个纳米尺度的刚性圆环，可以被看作是碳纳米管最短的一节“标准车厢”。以CPPs为模板进行延伸生长，理论上能够获得结构精确、性能一致的碳纳米管。因此，高效、可定制地合成结构多样的CPPs，是“分子制造”精准合成碳纳米管的必经之路。
然而，CPPs的合成仍面临严峻挑战。由于其独特的环状结构具有显著的环张力，类似于制备一个高度紧绷且精度要求极高的微型环状物，传统合成方法往往存在反应步骤繁琐、产率偏低以及依赖贵金属催化剂等问题，整体合成工艺复杂、成本高昂。
面对这一挑战，李春举教授团队联合南开大学蔡康教授、郭东升教授及美国德克萨斯大学奥斯汀分校团队独辟蹊径，提出了ICEB合成新策略。该策略的核心创新在于“先构建一个松弛的大环，再将其收紧”。研究团队首先设计并合成了结构相对宽松、易于修饰的“扩展联苯芳烃”作为大环前体，然后通过高效的分子内偶联反应，将这个“松弛的环”精准地“收紧”成为目标CPPs纳米环。
“这种方法好比先编织一个较为松弛的绳圈，最后再均匀拉紧，比直接编织一个紧绷的绳圈要容易得多，也灵活得多。”李春举形象地解释道。ICEB策略巧妙规避了直接构建高张力环的能垒，使得合成过程更加简单高效，产率显著提升。
更重要的是，该策略具备高度的“模块化”和“可定制性”。研究人员可以像拼装乐高积木一样，在前体阶段灵活更换不同的芳香结构单元或引入特定的功能基团，从而“定制化”地生产出不同尺寸、不同电子特性的CPPs衍生物。利用这一强大工具，团队一举成功合成了20种结构各异的CPPs纳米环，并实现了对其光吸收、荧光发射等物理性质的精细调控。
“这项研究为我们提供了一套强大而通用的合成‘工具箱’。”李春举表示，“该研究不仅丰富了共轭纳米环的合成化学，更为碳纳米笼、复杂碳纳米管片段乃至其他应变纳米碳材料的理性设计与可控合成开辟了新路径。”
这项基础研究方法学的突破，承载着将纳米碳材料从实验室的“珍品”转变为可精准设计的“工业品”的巨大潜力，为我国在未来新材料领域的竞争中奠定了重要的科学基础。
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