碳纳米管在机械互锁条件下催化活性的研究

碳纳米管已被用作许多相关化学过程中的催化剂，然而，控制它们的催化活性并不容易。EmilioPérez的研究小组描述了如何建立机械化制造催化剂从而来控制增加或减少催化作用。 Nanociencia研究院的研究小组描述方法是，环绕在纳米管周围的分子被用来改变纳米管的电子属性，从而控制对其催化活性的调节。

过去几十年中最引人注目的科学进步之一是通过“机械联系”将分子碎片连接起来。在机械互锁的分子中，由于它们的拓扑结构，不同的分子以相同的方式连接，就像长链的一部分的链接一样。 它们之间没有直接的连接（共价键），但是在不破坏它们的结构的情况下是不可分离的。

这种新型化学键具有一些独特的性质，这些独特性质之一就是它允许最终结构的一个组成部分相对于其它组成部分可以运动。一些发现这种机械键的学者利用这些特性来制造能够执行复杂任务的人工分子机器，例如对有机分子施加机械力或合成一个特定序列的多肽，分别模仿肌凝蛋白或核糖体等自然分子机器。

2016年诺贝尔化学奖授予Stoddart，Sauvage和Feringa设计的人工分子机械，突显了这一领域在机械键方面的相关性。 Stoddart和Sauvage都将他们的设计建立在机械链接的特性上。

碳纳米管是由石墨烯薄片组成的管状结构，它们的物理特性使它们成为最吸引人的纳米材料之一。例如，它们可以比钢更坚固同时又像硅半导体一样，可以应用于电子设备中。

到目前为止，碳纳米管已经通过非常强的键（共价键）与分子结合在一起，从而产生非常稳定的化合物。 然而，这种联结意味着纳米管结构发生了变化，因此其性质也发生变化。这类似于使用图钉将广告纸钉在广告板上：连接很强，但它在广告纸和广告板上都留下了洞。弱非共价力也被使用，这使得纳米管的结构保持完整，但通常会产生不稳定的化合物。 在这种情况下是类似于将广告纸粘贴到广告板上，广告纸和广告板都没有损坏，但粘结要弱得多。

图为大环化合物中的催化剂对碳纳米管正负调节

由 Nanociencia研究院（马德里）的EmilioM.Pérez领导的研究小组已经开发了通过机械结合化学修饰碳纳米管的方法，这是首例机械互锁碳纳米管（MINTs）。这种类型的化合物与共价化合物一样稳定，但同时与非共价化合物一样保持初始结构。

在这种情况下，想象一个螺纹圆柱状广告纸：广告纸与杆的连接非常强大，因为我们不能在不破坏广告纸的情况下分离它们，但不会在广告纸或杆中留下洞。此外，我们可以在杆的长度上上下移动广告纸，或者旋转它，从最适合我们的角度观察它。

在自然通讯杂志上发表的研究结果（“大环化合物中的催化剂对碳纳米管正负调节”），EmilioPérez的研究小组描述了如何建立机械化的催化剂来控制他们的催化活性。碳纳米管在许多相关的化学过程中通常是很好的催化剂，因为它们的所有原子都是表面原子。

然而，控制它们的催化活性并不容易。相比之下，Nature投入大量资源并应用多种策略（变构，化学修饰，活性位点，区室化等）来增加或降低酶的催化活性。

在 Nanociencia研究院描述的方法中，管周围的环状分子被用来修改纳米管的电子性质，这反过来又会对它们的催化活性进行调节，使它们成为更好或更差的催化剂。这种新的控制方法提供了一个独一无二的组合属性中观察到的自然调控策略:效应器（大环）和催化剂（纳米管）之间的联系是非共价的，但由于机械连接而稳定，并且其效果很明显但不是变构效应，因为它不会改变活性位点（纳米管表面）的结构。

文章来源于nanowerk网站，原文题目：Carbon nanotube catalysts in MINT condition，由材料科技在线汇总整理。