Výzkumníci z Nagojské univerzity v Japonsku vytvořili chirální nanouhlíky tím, že přerušili a znovu sestavili vazby uvnitř plochých uhlíkových molekul. Metoda nazývaná úprava molekulární kostry jim umožnila připravit z běžných výchozích struktur, připomínajících malé části grafenu, nové tvary včetně molekul s desetičlennými uhlíkovými kruhy a dvojitou šroubovicí. Sloučeniny existují v levotočivé a pravotočivé podobě podobně jako lidské ruce. Výsledky, zveřejněné v časopise Nature Communications, ukazují také jejich neobvyklé optické a elektrické vlastnosti.
- Úprava molekulární kostry byla při syntéze nanouhlíků použita poprvé.
- Vědci vytvořili obě zrcadlové podoby složitých chirálních nanouhlíků.
- Jedna z molekul vytváří porézní krystal schopný zachycovat a uvolňovat oxid uhličitý.
Úprava vnitřních vazeb překonává omezení okrajové chemie
Nanouhlíky jsou uhlíkové struktury v molekulárním měřítku, které mohou sloužit jako stavební prvky pokročilých materiálů. Chemici je obvykle sestavují spojováním menších plochých molekul na jejich okrajích. Vazby uvnitř takových struktur jsou uzamčené v tuhé a rovinné konfiguraci, která se změnám brání.
Právě na toto obtížně dostupné místo se japonský tým zaměřil. Úprava molekulární kostry dovoluje vybrané vazby přerušit a vytvořit nové, čímž se mění samotný vnitřní rámec molekuly. Postup se dosud používal především při výrobě léčiv; studie jej poprvé přenesla do syntézy nanouhlíků.
Místo rozšiřování molekuly pouze po obvodu tak chemici získali možnost navrhovat její tvar zevnitř.
Podle spoluautora Norihita Fukuie vedlo napětí vznikající při zásahu do vnitřní části molekuly k dlouhodobému předpokladu, že takové úpravy nejsou prakticky proveditelné. Výsledky týmu ukazují, že vhodná metoda a výchozí molekula mohou toto omezení obejít.
Uhlíkové atomy běžně vytvářejí ploché šestičlenné kruhy, jaké se nacházejí také v grafenu. Chemici už dokázali do podobných struktur začlenit sedmičlenné a osmičlenné kruhy, zatímco desetičlenné kruhy a nerovinná uspořádání šestičlenných kruhů zůstávaly velmi obtížně dosažitelné. Nová práce spojila desetičlenný kruh s velkými chirálními nanouhlíky a zároveň umožnila připravit jejich levou i pravou zrcadlovou variantu.
Nové struktury svítí, nesou náboj a zachycují CO₂
Všechny připravené molekuly vyzařují světlo, které se při šíření spirálovitě stáčí. Dvě z nich dokážou nést více elektrických nábojů, aniž by se rozpadly. Další si zachovává svou prostorovou orientaci i při 280 °C.
Molekula ve tvaru dvojité šroubovice se navíc samovolně skládá do krystalů se spirálovitými póry. Ty mohou oxid uhličitý zachytit a následně uvolnit. Autoři tento materiál popisují jako první chirální porézní strukturu svého druhu.
Svými vlastnostmi má blízko ke kovově-organickým strukturám, známým pod zkratkou MOF, které byly tématem Nobelovy ceny za chemii za rok 2025. MOF jsou porézní krystalické materiály; jejich vnitřní prostory lze využívat k zachycování vybraných molekul. U nového nanouhlíku bude ale nutné teprve ověřit, nakolik lze pozorované chování převést do praktického materiálu pro ukládání plynů.
Bezprostřední význam studie spočívá v nové syntetické metodě
Výzkum popisuje přípravu molekul a jejich vlastnosti, nikoli hotové zařízení. Jeho okamžitý přínos je proto především metodický: chemici dostávají další cestu k uhlíkovým strukturám, které předchozí postupy nedokázaly snadno vytvořit.
To znamená, že případné využití v ukládání plynů, elektronice s velmi nízkou spotřebou nebo nových způsobech šifrování zůstává možností pro další vývoj, nikoli výsledkem, který by už byl připraven k nasazení.
Studie nazvaná Skeletal transformation to chiral nanocarbon molecules vyšla v roce 2026 v Nature Communications pod identifikátorem DOI 10.1038/s41467-026-75280-6. Fukui očekává, že práce podnítí další výzkum zaměřený na to, jaké jiné struktury lze úpravou vnitřku molekul vytvořit.
Které možné využití chirálních nanouhlíků považujete za nejzajímavější: ukládání plynů, elektroniku, nebo práci se světlem?
