Supramolecular Approach to Schwarzite Carbon Materials

Opis projektu

Budowanie sieci węglowych 3D inspirowanych schwarzitami

W ciągu ostatnich trzech dekad poczyniono znaczne postępy w opracowywaniu zero-, jedno- i dwuwymiarowych materiałów węglowych z hybrydyzacją sp2. Jednak ich trójwymiarowe odpowiedniki, znane jako węgle schwarzitowe lub kryształy Mackaya-Terronesa, pozostają niezrealizowane pomimo ich przewidywanego potencjału dla elektroniki. Właśnie dlatego finansowany przez ERBN projekt SCHWARZITE ma na celu opracowanie praktycznych dróg syntezy tych porowatych, krystalicznych struktur węglowych. Opierając się na nowej metodzie produkcji wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) zawierających heptagony, zespół zaprojektuje nanostruktury w kształcie siodła, które samoorganizują się wokół szablonów fulerenowych. Wykorzystując badania wiązań supramolekularnych i dyfrakcję rentgenowską, naukowcy stworzą i scharakteryzują te π-sprzężone szkielety. Utoruje to drogę do nowej klasy porowatych, przewodzących materiałów węglowych.

Cel

Considerable progress has been made over the past thirty years in the synthesis and preparation of 0D, 1D, and 2D sp2-hybridized carbon materials, as well as for their smaller discrete nanosized polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) counterparts. However, 3D sp2-hybridized carbon networks, called schwarzite carbons or Mackay-Terrones crystals – first proposed in the early 1990s – remain elusive, despite exciting electronic properties and important applications being predicted for these porous crystalline all-carbon solids by theoreticians. Little activity has been devoted to this new class of carbon materials due to the enormous challenges foreseen for their synthesis. Even research towards 7- and 8-membered rings, whose saddle-shaped structures are the prerequisite for schwarzite-type molecular carbon materials, has only recently become a research focus for a still small number of chemists.
Based on an efficient synthetic method for heptagon-containing PAHs recently developed by our laboratory and the subsequent demonstration of the perfect schwarzite-like organization of four of such molecules around a C60-fullerene template, we herein propose rational strategies for both schwarzite-inspired saddle-shaped nanostructures as well as 3D schwarzite-like porous pi-conjugated solid-state materials. Thus, in this project, novel saddle-shaped PAHs bearing schwarzite-inspired sequences of hexagons and heptagons will be synthesized and self-assembled around fullerenes and other spherical template molecules, and characterized by supramolecular binding studies and single-crystal X-ray diffraction. Various synthetic approaches will be pursued for the post-functionalization of these complexes to afford pi-conjugated cage molecules and schwarzite-type pi-conjugated 3D materials. The functional properties of these novel materials will be explored with a broad repertoire of available techniques in our laboratory.