Циклокарбон: первая кольцевая молекула из 18 атомов углерода

Исследователи успешно синтезируют долгожданную круговую молекулу углерода-18. Это самый маленький цикло [ n ] углерод, который считается термодинамически стабильным. В ближайшем будущем он может быть использован для разработки транзисторов молекулярного размера.

Открытие графена и углеродных нанотрубок открыло новую область синтетических углеродных аллотропов. Фуллерены являются единственными молекулярными аллотропами углерода, которые не содержат никаких других атомов. Они имеют эллипсоидальную, сферическую и трубчатую форму, полностью сделанные из атомов углерода.

Существование cyclocarbons, с другой стороны, остается спорной темой в течение многих лет. Многие химики пытались синтезировать циклоуглероды - молекулы, состоящие исключительно из n атомов углерода, - но до сих пор никаких плодотворных результатов не наблюдалось.

Недавно исследователи из IBM и Оксфордского университета успешно синтезировали первое в мире кольцо чистого углерода: круговую молекулу, содержащую 18 атомов углерода, химическое соединение, которое очаровывало ученых на протяжении многих лет.

Чистый углерод

Углерод является 4-м наиболее распространенным элементом во вселенной по массе, и он обладает невероятно уникальными свойствами. Несколько атомов углерода могут соединяться вместе, образуя новое соединение. Например, каждый атом может связываться с четырьмя ближайшими соседями в четырехгранной форме, образуя ромб.

Многие химики, в том числе лауреат Нобелевской премии Роальд Хоффманн, давно утверждают, что углерод также может связываться с двумя соседними атомами, образуя цепь. Это возможно двумя способами: если каждый атом углерода образует либо двойную связь с обеих сторон (путем разделения двух электронов на каждой стороне), либо одинарную связь с одной стороны и тройную связь с другой.

Многие экспериментальные химики пытались создать цепочки или кольца на основе этого паттерна, но поскольку структура чрезвычайно реактивна, она менее стабильна, чем алмаз и графен. Однако их можно сделать стабильными, добавив другие элементы.

Цикло [18] углерода

В этом исследовании исследователи смогли создать и отобразить долгожданную круглую молекулу углерода-18. Сначала они синтезировали четырехуглеродные квадратные молекулы, которые были присоединены к атомам кислорода. Эти молекулы затем помещали в бислой хлорида натрия внутри низкотемпературной высоковакуумной камеры.

Чтобы удалить дополнительные кислородсодержащие части, они использовали атомно-силовой микроскоп. Они тщательно манипулировали каждым кольцом электрическими токами, и после нескольких попыток проб и ошибок микроскопические изображения выявили цикло [18] углеродную структуру.

Он имеет чередующиеся одинарные и тройные связи, которые придают углеродным кольцам и цепям свойства полупроводников. Длинная прямая цепь атомов углерода также может проявлять полупроводниковое поведение. Поэтому в ближайшем будущем он может быть использован при разработке транзисторов молекулярного размера.

Кольцо Углерод-18 является самым маленьким цикло [ n ] углеродом, который считается термодинамически стабильным, с 72 килокалориями на моль энергии деформации. Другие основные свойства молекулы все еще изучаются.

Исследователи не смогли создать несколько молекул одновременно, но они будут продолжать пробовать альтернативные методы, которые могут привести к образованию более чем одной циклоуглеродной структуры. Исследование также открывает новые возможности для синтеза других неуловимых богатых углеродом молекул путем манипуляций с атомами.