作者:Harry Anderson 来源:《科学》 发布时间:2019/8/19 14:09:59
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化学家首次成功合成纯碳环
可用于研制电子和纳米器件新材料

用原子力显微镜拍摄的碳-18分子的三维图像。 图片来源:IBM

在大多数化学家都已然放弃尝试很久之后,一个研究小组终于合成出第一个由18个原子组成的环状纯碳分子。

化学家从一个由碳和氧组成的三角形分子入手——他们用电流操纵来制造这个碳-18环。对这种被称为环碳的分子性质进行的初步研究表明,它具有半导体的功能,可以使类似的直碳链成为分子级电子元件。

日本大阪大学化学家Yoshito Tobe说,这是一项“绝对令人震惊的研究工作”,开辟了一个新的研究领域。“许多科学家,包括我自己,都试图捕获环碳并确定它们的分子结构,但却都是徒劳的。”Tobe说。

这项研究结果发表在8月15日出版的美国《科学》杂志上。

纯碳有几种不同的形式,包括钻石、石墨和“纳米管”。元素的原子可以与自身形成各种构型的化学键,例如,每个原子都能以金字塔形状与4个相邻的原子结合,就像钻石一样;或者与3个相邻的原子结合,比如构成单原子厚度石墨烯薄片的六角形模式。(在块状石墨、碳纳米管和被称为富勒烯的球状分子中也发现了这种三键结构)

然而碳也可以仅仅和附近的两个原子成键。长期以来,诺贝尔奖得主、纽约州伊萨卡市康奈尔大学化学家Roald Hoffmann等人认为,这将导致纯碳原子链的形成。每个原子可以在每一边形成一个双键——这意味着相邻的原子共用两个电子,或者在一边形成一个三键,在另一边形成一个单键。不同的研究团队已经尝试基于这种模式合成环或链。

但是英国牛津大学化学家Przemyslaw Gawel说,由于这种结构类型比石墨烯或金刚石具有更强的化学反应性,因此其稳定性较差,尤其是在弯曲时。

合成稳定的链和环通常需要包含碳以外的元素。一些实验已经暗示在一个气体云中会产生全碳环,但还没有找到确凿的证据。

Gawel和他的合作者现在已经创造出了长期寻找的环状分子碳-18并进行了成像。

通过使用标准的“湿”化学方法,他的合作者、牛津大学化学家Lorel Scriven,首次合成的分子包括从环上脱落的有4个碳的正方形,同时正方形上附着有氧原子。随后,研究小组将他们的样本送到位于瑞士苏黎世的IBM实验室。在那里,合作者将氧—碳分子放在一层氯化钠上,并置于一个高真空室内。研究人员用电流(借助原子力显微镜,也可以使用扫描调谐显微镜)一次操作一个环,以去除多余的含氧部分。

经过反复试验,显微扫描显示了18个碳原子的结构。“我从没想过会看到这个。”Scriven说。

IBM的研究人员表示,18碳环有交替的三键和单键。对于碳-18到底具有这种结构,还是完全由双键构成,理论研究结果一直存在分歧。

研究人员认为,交替的化学键类型很有趣,因为它们被认为赋予了碳链和碳环以半导体的性质。研究结果表明,长而直的碳链也可能是半导体,Gawel说,这可能使它们在未来成为分子大小的晶体管的有用组件。

目前,研究人员正在研究碳-18的基本性质,他们一次只能生成一个分子。研究人员还将继续尝试其他可能有更多产量的技术。“迄今为止,这只是非常基础的研究。”Gawel说。

Hoffmann表示:“这项研究工作很漂亮。”不过他补充说,碳-18在脱离盐表面后是否稳定,以及它是否能比一次合成一个分子更有效,还有待进一步观察。(来源:中国科学报 赵熙熙)

相关论文信息:DOI: 10.1126/science.aay1914

 
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