碳納米管在機械互鎖條件下催化活性的研究

碳納米管已被用作許多相關化學過程中的催化劑，然而，控制它們的催化活性並不容易。EmilioPérez的研究小組描述了如何建立機械化製造催化劑從而來控制增加或減少催化作用。 Nanociencia研究院的研究小組描述方法是，環繞在納米管周圍的分子被用來改變納米管的電子屬性，從而控制對其催化活性的調節。

過去幾十年中最引人注目的科學進步之一是通過「機械聯繫」將分子碎片連接起來。在機械互鎖的分子中，由於它們的拓撲結構，不同的分子以相同的方式連接，就像長鏈的一部分的鏈接一樣。 它們之間沒有直接的連接（共價鍵），但是在不破壞它們的結構的情況下是不可分離的。

這種新型化學鍵具有一些獨特的性質，這些獨特性質之一就是它允許最終結構的一個組成部分相對於其它組成部分可以運動。一些發現這種機械鍵的學者利用這些特性來製造能夠執行複雜任務的人工分子機器，例如對有機分子施加機械力或合成一個特定序列的多肽，分別模仿肌凝蛋白或核糖體等自然分子機器。

2016年諾貝爾化學獎授予Stoddart，Sauvage和Feringa設計的人工分子機械，突顯了這一領域在機械鍵方面的相關性。 Stoddart和Sauvage都將他們的設計建立在機械鏈接的特性上。

碳納米管是由石墨烯薄片組成的管狀結構，它們的物理特性使它們成為最吸引人的納米材料之一。例如，它們可以比鋼更堅固同時又像硅半導體一樣，可以應用於電子設備中。

到目前為止，碳納米管已經通過非常強的鍵（共價鍵）與分子結合在一起，從而產生非常穩定的化合物。 然而，這種聯結意味著納米管結構發生了變化，因此其性質也發生變化。這類似於使用圖釘將廣告紙釘在廣告板上：連接很強，但它在廣告紙和廣告板上都留下了洞。弱非共價力也被使用，這使得納米管的結構保持完整，但通常會產生不穩定的化合物。 在這種情況下是類似於將廣告紙粘貼到廣告板上，廣告紙和廣告板都沒有損壞，但粘結要弱得多。

圖為大環化合物中的催化劑對碳納米管正負調節

由 Nanociencia研究院（馬德里）的EmilioM.Pérez領導的研究小組已經開發了通過機械結合化學修飾碳納米管的方法，這是首例機械互鎖碳納米管（MINTs）。這種類型的化合物與共價化合物一樣穩定，但同時與非共價化合物一樣保持初始結構。

在這種情況下，想像一個螺紋圓柱狀廣告紙：廣告紙與桿的連接非常強大，因為我們不能在不破壞廣告紙的情況下分離它們，但不會在廣告紙或桿中留下洞。此外，我們可以在桿的長度上上下移動廣告紙，或者旋轉它，從最適合我們的角度觀察它。

在自然通訊雜誌上發表的研究結果（「大環化合物中的催化劑對碳納米管正負調節」），EmilioPérez的研究小組描述了如何建立機械化的催化劑來控制他們的催化活性。碳納米管在許多相關的化學過程中通常是很好的催化劑，因為它們的所有原子都是表面原子。

然而，控制它們的催化活性並不容易。相比之下，Nature投入大量資源並應用多種策略（變構，化學修飾，活性位點，區室化等）來增加或降低酶的催化活性。

在 Nanociencia研究院描述的方法中，管周圍的環狀分子被用來修改納米管的電子性質，這反過來又會對它們的催化活性進行調節，使它們成為更好或更差的催化劑。這種新的控制方法提供了一個獨一無二的組合屬性中觀察到的自然調控策略:效應器（大環）和催化劑（納米管）之間的聯繫是非共價的，但由於機械連接而穩定，並且其效果很明顯但不是變構效應，因為它不會改變活性位點（納米管表面）的結構。

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