Багато хіміків уже давно покинули спроби синтезувати молекулу з чистого вуглецю у формі кільця — але тільки не команда Пшемислава Гавела із Оксфордського університету у Сполученому Королівстві. Вперше в історії їм вдалося отримати круглу алотропну видозміну із вісімнадцяти атомів цього елемента.
Дослідники розпочали експеримент із трикутної молекули вуглецю і кисню, якою вони зманіпулювали за допомогою електричних струмів, і врешті створили кільце із атомів вуглецю-18. Попередні дослідження властивостей молекули, яку назвали “циклокарбоном”, вказують на те, що вона має характеристики напівпровідника, а також може утворювати прямі вуглецеві ланцюги, які можуть бути корисні як електронні компоненти на молекулярній шкалі.
За словами хіміка з Університету Осаки в Японії Йошіто Тобе, це “неймовірно вражаюча робота”, яка відкриває цілу сферу нових досліджень. “Чимало науковців, зокрема і я, намагалися вловити цикловуглець і вивчити його властивості, але завжди марно”, — каже Тобе. Стаття з описом дослідження опублікована 15 серпня у Science.
Чистий вуглець існує в кількох молекулярних формах, або алотропних видозмінах, в тім числі як алмаз, графіт та нанотрубки. Атоми цього елемента можуть формувати хімічні зв’язки між собою у різних конфігураціях. Наприклад, кожен атом може пов’язуватися зі своїми сусідами у формі піраміди, як в алмазу, або формувати гексагональні структури — наче в одноатомних шарів графену (такі самі структури із трьома зв’язками зустрічаються також у графіту, вуглецевих нанотрубок й круглих молекул, званих фулеренами).
Але вуглець також може формувати зв’язки із двома сусідніми атомами. Лауреат Нобелівської премії, хімік з Корнелльського університету в Ітаці (штат Нью-Йорк) Роалд Гоффман та кілька інших вчених уже тривалий час теоретизували про те, чи може ця властивість призвести до створення чистих ланцюгів із атомів вуглецю. Кожен атом вуглецю може утворювати як подвійний зв’язок на кожному боці — це означає, що суміжні атоми пов’язані двома електронами, так і одинарний зв’язок з одного боку і потрійний з іншого. Різні команди намагалися синтезувати кільця або ланцюги з такою структурою.
Але оскільки ця модифікація більш хімічно реактивна, ніж графен або алмаз, вона, відповідно, менш стабільна, особливо під час згинання, каже Пшемислав Гавел. Синтезування таких ланцюгів чи кілець потребувало залучення інших хімічних елементів, тож у чистій формі їх поки що не вдавалося отримати. Окремі експерименти натякали на одержання повноцінних вуглецевих кілець у газовій хмарі, але їхні автори не змоги навести переконливих доказів цього.
Тепер команда Гавела нарешті синтезувала і сфотографувала довгоочікувану молекулу із вуглецю-18. Використовуючи стандартну “мокру” хімію, його співробітниця Лорель Скрівен, хімікиня із Оксфорда, уперше отримала молекулу, яка складалась із квадратних модифікацій вуглецю, що кріпились на кільці з атомів кисню. Свої зразки команда надіслала до лабораторії IBM в Цюриху (Швейцарія), співробітники якої помістили ці молекули на шар хлориду натрію всередині вакуумної камери. За допомогою атомно-силового мікроскопа (який також може відігравати роль тунельного мікроскопа) вони подіяли на кільця електричним струмом, щоб усунути зовнішні оксигеновмісні частини. Після кількох спроб і невдач дослідники нарешті побачили структуру з вісімнадцяти атомів вуглецю на мікрографічих сканах. “Я ніколи не думала, що це побачу”, — розповідає Скрівен.
Дослідники з IBM продемонстрували, що вуглецеві кільця мають почергові потрійні й одинарні зв’язки. В теорії, однак, ще є розбіжність, чи може вуглець-18 мати таку структуру, чи ж можливою є лише модифікація з подвійними зв’язками.
Зв’язки, що чергуються, цікаві тим, що вони, як припускають учені, наділяють вуглецеві ланцюги та кільця властивостями надпровідників, що може зробити їх корисними компонентами майбутніх молекулярних транзисторів — стверджує Гавел.
Тепер дослідники прагнуть дослідити основні властивості вуглецю-18 (поки що їм вдалося отримати лише одну молекулу цього ізотопу). Вони також випробовують альтернативні техніки, які дозволять отримати цю сполуку в більшій кількості.
“Це прекрасне дослідження”, — стверджує Роалд Гофман, хоча й додає, що ще потрібно побачити, чи залишатиметься вуглець-18 стабільним, якщо його забрати з соляної поверхні, і чи можна його синтезувати ефективніше, ніж одну молекулу за раз.
Davide Castelvecchi
Chemists make first-ever ring of pure carbon
Nature, 15/08/2019
Зреферував Є. Л.