科学研究 - 东京大学全球首次开发出氮掺杂型纳米管分子

东京大学研究生院理学系研究科的矶部宽之教授带领的研究团队，全球首次成功实现了周期性嵌入氮原子的纳米管分子（氮掺杂型纳米管分子）的化学合成。对2019年自主开发的纳米管分子化学合成法进行改良，设法嵌入了氮原子。氮掺杂型碳材料在半导体利用等应用研究中备受关注。

碳纳米管和石墨烯等纳米碳自发现以来作为新材料一直备受期待。在纳米碳中掺杂（嵌入）碳以外的异质元素能大大改变其物理性质，因此相关开发受到关注。其中，氮掺杂型纳米碳的研究尤其活跃，每年发表近200篇相关论文。不过，由于利用的是物理制造方法，无法在控制氮原子的位置和数量的同时将其嵌入纳米碳中，这成为了阻碍新材料开发的瓶颈。

此次，研究团队成功地化学合成了只在特定位置嵌入特定数量氮原子的纳米管分子（图1、图2）。

图1：氮掺杂型纳米管分子的分子结构。蓝色部分为氮原子。（晶体结构的侧视图）

图2 : 氮掺杂型纳米管分子的分子结构。蓝色部分为氮原子。（晶体结构的仰视图）

此次研究团队对2019年自主开发的纳米管分子化学合成法进行了改良，设法嵌入了氮原子。这是在此前使用苯的化学合成法中新使用吡啶的结果。利用该方法，可以使构成纳米管分子的304个主原子中有8个为氮原子，将氮原子的含有率精确地控制为2.6％。材料科学领域此前研究的氮掺杂纳米碳的氮含有率在2~5％的范围内。利用该方法合成的氮掺杂纳米管分子的氮含有率控制在了这个范围内，因此其成分适合用来准确探索作为材料研究的氮掺杂纳米碳的电子性质和化学性质。

此次研究还利用最先进的X射线结构解析法确认，氮上存在孤电子对（Lone pair），另外还通过理论计算明确了其电子贡献（图3、图4）。