@ 2019.08.24 , 11:00

有史以来首次成功合成出稳定的纯碳环

碳原子有多种组合方式。如果每个碳原子与其周围的3个碳原子经过激烈的相互作用紧密结合,就得到了相对柔软的石墨。再添加1个碳原子与其它4个原子相连时,它就成为已知最硬的矿物之一——钻石。将60个碳原子构成类似足球形状的分子,就是著名的巴基球。

但是,碳原子环,每个原子只与其他两个原子结合在一起,没有其它花里胡哨的东西,存在这一结构吗? 50年来,该问题令科学家望而却步。他们最接近成功的一次,气态碳环仅仅存在了很短的时间。

因此,当牛津大学和IBM研究院的一组研究人员制造出了一个稳定的碳环,立刻轰动了学界。

环形碳化合物,由18个碳原子组成,这是理论上,满足热力学稳定条件的最小环碳。我们利用先进的显微镜技术得到了它的图像。

到目前为止,研究表明它可以充当半导体——意味着它可用在电子工业里。而且使环碳烃难以分离的特性——它们的高反应性——意味着可用于制造其他碳元素的同分异构体和富碳材料。

为了实现这一壮举,研究人员首先合成了三角形环氧化碳C24O6——18个碳原子与6个一氧化碳分子结合。

他们将这种混合物转移到铜板上的氯化钠层中,在真空室中冷却至接近绝对零度的温度。这提供了保持结构稳定的惰性表面。

然后,使用原子力显微镜的尖端,将一氧化碳(CO)分子从结构中撞出,只留下碳原子环。

当然,说起来不过几句话,实际做起来则十分虐心。

“我们从C24O6中去除6个CO,实际产率为13%,通常会产生其它的环状分子。”研究人员在论文中写道。

有趣的是,环碳中的原子形成了所谓的多环结构,具有交替的三键和单键。长期存在的问题是,是否存在完全由双键连接的一维碳环。

现有理论认为,正是交替结构产生了半导电性。

未来的研究,需要改进工艺提高产量。目前,只能一次制造出一个碳环,所以团队计划找到同时合成多个碳环的方法。

研究人员写道,“我们的结果”提供了对环状碳结构的由直接实验揭示的信息,并开辟了通过原子操纵产生其他难以捉摸的富碳分子的方法。

该研究发表在Science上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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