Химики впервые синтезировали кольцо из чистого углерода

Неуловимый 18-атомный циклоуглерод может стать шагом к молекулярным транзисторам.

Химики начали с треугольной молекулы углерода и кислорода, которой они манипулировали с электрическими токами для создания кольца углерода-18. Первоначальные исследования свойств молекулы, называемой циклоуглеродом, показывают, что она действует как полупроводник, который может сделать подобные прямые углеродные цепи полезными в качестве электронных компонентов молекулярного масштаба.

Это «абсолютно потрясающая работа», которая открывает новую область исследований, говорит Йошито Тобе, химик из Университета Осаки в Японии.

«Многие ученые, включая меня, пытались захватить циклоуглероды и определить их молекулярную структуру, но тщетно, — говорит Тобе.

Чистый углерод поставляется в нескольких различных формах, включая алмаз, графит и нанотрубки. Атомы элемента могут образовывать химические связи друг с другом в различных конфигурациях: например, каждый атом может связываться с четырьмя соседями в форме пирамиды, как в алмазе; или с тремя, как в гексагональных структурах, которые составляют листы графена толщиной в один атом.

Но углерод также может образовывать связи только с двумя соседними атомами. Лауреат Нобелевской премии химик Роальд Хоффман из Корнельского университета в Итаке, Нью-Йорк, и другие долгое время теоретизировали, что это приведет к чистым цепям атомов углерода.

Каждый атом может образовывать либо двойную связь с каждой стороны, то есть соседние атомы имеют два электрона, либо тройную связь с одной стороны и одну связь с другой. Различные команды попытались синтезировать кольца или цепи, основанные на этом образце.

Но поскольку этот тип структуры более химически реакционноспособен, чем графен или алмаз, он менее стабилен, особенно при изгибе, говорит химик Пшемыслав Гавел из Оксфордского университета, Великобритания. Синтез стабильных цепей и колец обычно требует включения элементов, отличных от углерода. Некоторые эксперименты намекали на создание полностью углеродных колец в газовом облаке, но не смогли найти убедительных доказательств.

Гавел и его сотрудники создали и изобразили долгожданную кольцевую молекулу углерода-18. Используя стандартную «влажную» химию, его сотрудник Лорел Скривен, Оксфордский химик, впервые синтезировал молекулы, которые включали четырехуглеродные квадраты, выходящие из кольца с атомами кислорода, прикрепленными к квадратам.

Затем группа отправила образцы в лаборатории IBM в Цюрихе, Швейцария, где сотрудники поместили молекулы кислорода и углерода на слой хлорида натрия внутри высоковакуумной камеры. Они манипулировали кольцами по одному с помощью электрических токов, чтобы удалить посторонние, содержащие кислород части. После долгих проб и ошибок микрографическое сканирование показало 18-углеродную структуру.

«Никогда не думал, что увижу это», — говорит Скривен.

Исследователи IBM показали, что 18-углеродные кольца имеют чередующиеся тройные и одинарные связи. Теоретические результаты не сошлись во мнениях относительно того, будет ли углерод-18 иметь такую структуру или же он будет полностью состоять из двойных связей.

Чередующиеся типы связей интересны тем, что они должны придавать углеродным цепям и кольцам свойства полупроводников.

«Результаты показывают, что длинные прямые углеродные цепи тоже могут быть полупроводниками, — говорит Гавел, — Что может сделать их полезными в качестве компонентов будущих транзисторов молекулярного размера».

«Работа прекрасна», — говорит Хоффманн, хотя он добавляет, что еще предстоит выяснить, является ли углерод-18 стабильным при снятии с поверхности соли и может ли он синтезироваться более эффективно, чем одна молекула за раз.

Фото — planet-today.ru