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不可能的任务!化学家首次成功合成纯碳环
发布:lee_9124   时间:2019/9/26 18:43:19   阅读:101 
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18个原子组成‘环碳’虽然难以捉摸,但却可能是迈向分子级晶体管的重要一步。
  
在大多数化学家放弃尝试很久之后,终于有研究团队合成出了第一个由18个原子组成的环状纯碳分子。
 


由原子力显微镜拍摄的碳-18分子的三维图像。
来源:IBM Research
  
化学家先合成了一个由碳和氧组成的三角形分子,然后通过施加电流进行操纵,得到了这个碳-18环。这种分子也被称为环碳,对其性质的初步研究表明,它具有半导体性质,这也意味着与它类似的碳直链可以作为分子级电子元件。
  
日本大阪大学化学家户部义人(Yoshito Tobe)认为这是“一项非常惊艳的研究工作”,开辟了一个全新的研究领域。他说:“许多科学家,包括我自己,都曾尝试制造环碳并确定它们的分子结构,但都没有成功。”这项研究结果已于8月15日发表在《科学》上。
 
  
纯碳有几种不同的形式,如金刚石、石墨和“纳米管”。碳元素的原子可以与自身形成各种构型的化学键。每个原子如果以金字塔构型与4个相邻原子结合,就会得到类似金刚石的结构;如果与3个相邻原子结合,就会得到单原子厚度石墨烯层的六边形结构。(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。)
  
除此之外,碳也可以只和附近的两个原子成键。诺贝尔奖得主、康奈尔大学化学家Roald Hoffmann等人很早就提出理论,认为这会形成纯碳原子链。也就是说,每个原子可以在两边各形成一个双键——即相邻的原子共用两个电子;也可以在一边形成一个三键,另一边形成一个单键。多个研究团队已经尝试基于这种构型合成环或链。
  
但是,英国牛津大学化学家Przemyslaw Gawel说,由于这种结构比石墨烯或金刚石具有更强的化学反应活性,导致其稳定性较差,尤其是在弯曲时。合成稳定的链和环通常需要加入碳以外的元素。一些实验已经发现可以在气体云中产生全碳环,但还没有得到有力的证据。
  
险象“环”生

  
现在,Gawel和合作者成功合成了这个科学家期盼已久的环状分子碳-18,并对其进行了成像。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首先合成了一种包含4个碳的正方形的环状分子,这些正方形上连接有氧原子。随后,研究团队将他们的样品送到位于瑞士苏黎世的IBM实验室。合作者将这种氧-碳分子置于单层氯化钠上,并放在高真空室内部。他们利用电流(借助能同时作为扫描隧道显微镜的原子力显微镜)进行逐环操作,去除多余的含氧结构。经过一次又一次的尝试,显微扫描中终于出现了18个碳原子的结构。Scriven说:“我从没想过会看到这个。”
  
从IBM研究人员展示的图来看,这个18碳环是三键和单键的交替结构。此前理论研究对于碳-18究竟是这种结构还是完全由双键组成的结构一直存在分歧。
  
这种交替的化学键很有趣,因为这种结构会让碳链和碳环具有半导体特性。Gawel认为研究结果说明,较长笔直的碳链可能也是半导体,并有望成为分子级晶体管的组成元件。
  
现在,研究人员想要搞清楚碳-18的基本性质,但他们只能一次制造一个分子。下一步,他们计划尝试其他可以提高产量的技术。Gawel说:“目前还处在非常基础的阶段。”

Hoffmann称赞道,“这项工作做得非常漂亮。”不过他也表示,碳-18在脱离盐表面后是否稳定,以及是否存在比一次一个分子更高效的合成方式,仍有待进一步研究。

 
来源: Nature自然科研
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