
碳是宇宙中最豐富的元素之一,它能以許多不同的形式存在,這些不同的同素異形體從顏色、形狀到硬度都有完全不同的性質。例如,當每個碳原子都連著3個相鄰的碳原子時,它是相對柔軟的石墨、石墨烯、碳納米管和富勒烯;當每個碳原子都有4個相鄰的碳原子時,它是堅硬的鑽石。
這些都是已經得到充分研究的碳的形式,但還有一些形式不太為人所知,例如每個碳原子只有兩個相鄰碳原子相連形成的環碳,就非常難以捉摸。50多年來,這種環碳的結構一直是未知的,科學家探討了兩種可能性,一種是環中的鍵都有相同的長度,即都是雙鍵;另一種是環中長鍵和短鍵交替分布,即三鍵和單鍵交替。
環碳的兩種可能結構。圖片:Katharina Kaiser et. al / Science
但是由於它們的高反應活性,以至於研究人員很難在實際操作中將它們分離出來。之前有科學家曾製造出過一個碳環,但它們是氣態的,很快就會消散。
現在,來自牛津大學和IBM研究公司的研究人員首次創造出了一個由18個碳原子構成的穩定碳環,並對其進行了清晰的成像,找到了問題的答案。在發表在《科學》期刊上的研究中,他們詳細說明了這種在熱力學上最穩定、最小的環碳C是如何生成的。
由18個碳原子排列成環的環碳。圖片:IBM Research環碳C是在溫度僅為5開爾文的低溫惰性表面上通過原子操作生成的。最初,研究人員關注的是兩配位碳的線性段,希望能通過原子操縱,即用原子力顯微鏡(AFM)的尖端施加電壓脈衝觸發化學反應,探索出能創造富碳材料的可能路徑。
研究人員發現,這樣的線性段可以在一個有著一層非常薄的鹽層(氯化鈉)的銅基體上形成。由於這種鹽層在化學上非常懶惰,因此反應分子不會與鹽層形成共價鍵。這樣一來,就創造了一個能保持結構穩定的惰性表面。
在成功生成線性碳段之後,研究人員嘗試在這種惰性表面上生成環碳。他們首先合成了一個環碳前體CO(如下圖),其中有一個由18個碳原子組成的環。這種氧化碳前體呈三角形,除了18個碳原子外,它還連著6個一氧化碳(CO)基團,在三角形的三個角上分別聚集著兩個這樣的基團,增加了分子的穩定性。
由左至右:前體分子CO、中間體CO、CO,以及最後徹底除去CO的C,底部一行顯示的是原子力顯微鏡(AFM)的數據。圖片:IBM Research
由CO合成C的研究始於30年前。現在,在最新的AFM的幫助下,我們終於可以看到生成物的原子細節。在新的研究中,科學家利用AFM將這種前體分子放置在薄薄的鹽膜上。然後對AFM的尖端施加的電壓脈衝,將CO從結構中剔除了出去。
在此過程中,它們得到了去除了2個和4個CO的中間體CO和CO。最終,得到了除去所有6個CO的環碳C。在此之前,科學家是無法在不破壞環狀結構的情況下敲除所有CO的;而且在多數情況下,得到的都是CO和CO分子。
環碳C:AFM數據的三維表現。上:探針到樣本的距離較大;下:探針到樣本的距離較小。圖片:IBM Research在寒冷的惰性表面上,這些分子非常穩定。在AFM圖像中,研究人員觀察到9個明亮的葉瓣排列成一個圓圈,當他們縮小探針與樣本之間的距離時,發現它們變成了九邊形。通過與模擬結果相比較,研究人員證實了在環碳C中,明亮的葉瓣和九邊形的角表示的是三鍵的位置。揭示了環碳有著單鍵和三鍵交替的結構。正是這種交替被認為是產生半導體性的原因,這意味著它在電子領域或許能有很大的應用潛力。
圖片:IBM Research接下來,研究人員希望能進一步精進環碳化合物的製造過程,以此來獲得更可靠的環碳產量。而且目前的方法一次只能製造一個環碳,所以他們還希望能找到可以同時製造多個環碳的方法。在成功地製造出穩定的環碳之後,科學家就可以開始進行應用實驗。
例如,弄清楚如何利用它的半導體特性,或者探索環碳作為更複雜分子的基本組成部分時的特性。這一研究結果對環碳結構提供了更加直接的實驗洞見,並開闢了一條通過原子操作來創造出複雜的含碳分子的道路。
博科園|文: 二宗主轉自:原理/principia1687博科園|科學、科技、科研、科普