石墨烯纳米带（GNR）的性能受如边缘结构、长度、宽度和杂原子掺杂等结构变量的影响，需要原子精度才能充分发挥其应用潜力。虽然长度影响GNR的关键性能，但控制长度的合成方法研究甚浅，对GNR性能的影响也尚未得到充分探讨。
近日，西班牙 POLYMAT 的Aurelio Mateo-Alonso领导的研究团队，开发了一种由较小纳米带直接合成的方法，像乐高积木一样，用长度仅为2纳米的小结构构筑基本模块。每个模块都有互补的端基（羰基或胺基）。在适当的酸性条件下，会触发类似点击的缩聚反应将它们连接在一起。每次迭代都会形成一个指数级更长的纳米带，最终形成创纪录的近36纳米长的石墨烯纳米带。
这种“加速”模块化方法制造出的分子纳米带长度是有史以来最长的三倍，且只需三个简单的步骤。超长石墨烯纳米带近 36 纳米，具有 147 个线性融合环和由 920 个原子组成的共轭核心。由于其荧光特性优于最先进的量子点，有望在电子和光电子领域得到广泛应用。在此之前，该研究团队相继制造出当时破纪录的7.7纳米长以及13纳米长的石墨烯纳米带。相关研究以“Accelerated iterative synthesis of ultralong graphene nanoribbons with full atomic precision”为题发表在《Cell Press》杂志上。
图文导读
图1. GNR的收敛迭代合成 (A)结构信息（分子式仅表示芳香族核中的原子，灰色部分突出显示) (B) NR-27-Q、NR-67-Q和NR147-Q的收敛迭代合成路线。
图2. 结构表征。(A) NR-7-Q、NR-27-Q、NR-67-Q和NR-147-Q的500 MHz 1 H NMR谱(CDCl3, RT)和(B) MALDI-TOF质谱 (C) NR-7-Q (D) NR-27-Q (E) NR-67-Q (F) NR-147-Q最稳定的(P,M,P)构象的不同观点。
图3. GNRs的光学和电化学表征。(A) gnr在CHCl3中的紫外-可见吸收光谱和(C)荧光光谱。(B)自然光下NRs在CHCl3中的5 mM溶液和(D)紫外光下。(E)n-Bu4NPF6/CH2Cl2中gnr的循环伏安图。(F) NR-147-Q选定的前沿轨道。
图4. GNR长度相关光电导率测量。(A)不同GNR的时间分辨太赫兹光电导率在共振激励下与吸收光子密度归一化。(B)由德鲁德-史密斯模型推断的电荷散射时间;虚线表示长度相关散射的简单模型补充信息中描述的时间/光电导率。(C)NR-147-Q在1.0 ps时的频率分辨复太赫兹光导率。实线对应于德鲁德-史密斯拟合描述了复杂太赫兹光电导率的实分量和虚分量。
总结
总体而言，该研究展示了在合成分子级石墨烯纳米带方面收敛迭代方法的强大威力，并为设计和合成其他类型可溶性巨型GNRs和纳米石墨烯，以全原子精度揭示其长度和尺寸对性质影响的细节铺平了道路。研究还表明，超长分子级GNRs的光电性能可以与量子点相媲美，可能为 LED、光伏、成像等领域的应用打开大门，而全原子精度带来的控制和再现性在这些性质方面提供了额外的价值。
原文：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.06.017
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