Fused-ring nanothread synthesized via high-pressure polymerization of naphthalene

ナフタレンの高圧重合による融合環型ナノスレッドの合成

Fei, Y.*; Wang, Y.*; Zhang, J.*; Liu, J.*; Zhao, Z.*; 服部 高典   ; 阿部 淳*; Dong, X.*; Mao, H.-K.*; Zheng, H.*; Li, K.*

Fei, Y.*; Wang, Y.*; Zhang, J.*; Liu, J.*; Zhao, Z.*; Hattori, Takanori; Abe, Jun*; Dong, X.*; Mao, H.-K.*; Zheng, H.*; Li, K.*

カーボンナノスレッド(CNThs)は、卓越した機械的特性を備えた一次元飽和炭素ナノ材料である。多環芳香族炭化水素(PAHs)は、高圧下において、機械的性能が向上した、より太い多環状CNThsを形成すると期待されている。本研究では、最も単純なPAHであるナフタレンの高圧重合について、複数の最先端手法を用いて体系的に調査した。ナフタレン分子はヘリンボーン状に積層し、20GPa以上ではa-b方向に沿って[4+2]環化付加反応を起こし、一次元CNThを生成した。多くのCNThの形成とは対照的に、CNThの核生成は加圧中に起こりその成長は減圧中に進行するが、これはヘリンボーン状に積層した芳香族化合物に普遍的に見られる現象であると考えられる。得られたCNTh結晶の単位格子が決定され、生成物であるCNThの可能な構造も提案された。本研究は、高圧下におけるナフタレンの重合特性を明らかにし、滑り角が重合経路を決定する上で重要な役割を果たすことを示している。

We systematically investigated the high-pressure polymerization of naphthalene, the simplest polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), using multiple cutting-edge methods. Naphthalene molecules were stacked in herringbone style, and underwent [4+2] cycloaddition reactions along the a-b direction above 20 GPa, yielding one-dimensional Carbon nanothreads (CNThs). In contrast to the formation of many CNThs, the nucleation of the CNThs occurs during compression while their growth proceeds during decompression, which is likely prevalent among herringbone-stacked aromatics. The unit cell of the obtained CNTh crystal is determined and the possible structure of the CNTh product is also proposed. Our research reveals the polymerization characteristics of naphthalene under high pressure, highlighting the fact that the slip-angle plays an important role in governing the polymerization pathway.