آلوتروپ های کربن زیادی وجود دارد. آلوتروپ ها اشکالی از یک عنصر هستند که ساختارهای متفاوتی دارند. اما امروزه سنتز اولین آلوتروپ کربن حلقوی در Science گزارش شده است.

برخی از شناخته شده ترین اشکال کربن الماس (a) یا گرافیت (b) هستند. سایر آلوتروپ ها فولرن ها (d، e، f)، کربن آمورف (g) یا نانولوله های کربنی (h) هستند.

اما تا به امروز، مشخص کردن یک حلقه مولکولی حلقوی تمام کربنی ممکن نبود. محققان دانشگاه آکسفورد با دانشمندان IBM همکاری کردند و این چالش فراموش شده را دوباره زنده کردند.

نتیجه خیره کننده است: دایره ای متشکل از 18 اتم کربن هیبرید شده sp-هیبرید شده که توسط پیوندهای منفرد و سه گانه متناوب به هم متصل می شوند.

چالش ساخت چنین مولکولی در واقع جدید نیست. در واقع، اساس این کار اخیر از قبل ایجاد شده بود در سال 1990

 

کار اولیه به سمت سیکلوکربن

در آن زمان، در حالی که به دنبال سنتز همان نوع آلوتروپ کربن حلقوی بود، سیکلو[18]کربن، گروه François Diederich در مجله انجمن شیمی آمریکا، سنتز و توصیف یک کمپلکس هگزاکوبالت پایدار از این ماده حلقوی را گزارش کردند.

این مجموعه هماهنگی ساختاری عجیب و غریب ممکن است به نظر برسد که واقعاً به مولکول حلقوی تمام کربن مورد نظر نزدیک است، اما این نمی تواند دور از واقعیت باشد.

در واقع، تقریباً 30 سال از زمانی که دیدریچ و تیمش گام های اولیه برای رسیدن به این هدف را برداشتند، می گذرد تا به امروز.

سنتز و خصوصیات اولین آلوتروپ کربن چرخه ای

به سرعت تا سال 2019، پی. گاول، اچ ال اندرسون (دانشگاه آکسفورد)، ال. گراس (IBM) و همکارانش بالاخره این چالش را تکمیل کردند.

آنها چطور این کار را کردند؟ اساساً آنها از میکروسکوپ تونل زنی اسکن (STM) بسیار استفاده کردند.

STM یک تکنیک مبتنی بر تونل کوانتومی است. در STM معمولاً مولکولی را که می خواهید مطالعه کنید در یک سطح فلزی قرار می دهید. سپس یک ولتاژ از طریق یک نوک رسانای بسیار کوچک اعمال می‌شود که به الکترون‌ها اجازه می‌دهد تا “تونل بزنند” و جریانی تولید کنند. با تجزیه و تحلیل تغییرات سیستم می توانید اطلاعات را استخراج کرده و به صورت تصویر نمایش دهید.

به لطف جدیدترین پیشرفت‌ها در STM و میکروسکوپ نیروی اتمی (ATM)، می‌توان تصاویری از مولکول‌ها را با وضوح عالی به‌دست آورد و دید.

گروه Diederich سنتز چندین اکسید سیکلوکربن (که به عنوان پیش ساز در تصاویر زیر نشان داده شده است) را توسعه داده بود.

اکسید سیکلوکربن (C24O6)، یک مولکول اکسیژن‌دار مثلثی، روی یک لایه دولایه از NaCl روی سطح مس (111) رسوب کرد. سپس به STM-AFM دمای پایین ارسال شد.

تحت این شرایط، مولکول شروع کننده CO را به صورت مونوکسید کربن از دست می دهد. این فرآیند می تواند چندین بار رخ دهد، تا زمانی که حلقه 18 عضوی تمام کربنی، سیکلوکربن، به دست آید. مولکول را می توان در محل (و بنابراین، مشخصه) در همان زمان تصویر کرد. به این ترتیب، در نهایت اولین آلوتروپ حلقوی کربن تهیه شد.

فرآیند دکربونیلاسیون گام به گام (یک مولکول CO در هر زمان) انجام می شود. این اجازه می دهد تا نه تنها تصاویر سیکلوکربن نهایی، بلکه چندین واسطه دی کربنیله شده را نیز مشاهده کنید.

به سختی می توان گفت که آیا ساختار حاصل «معطر» است، زیرا قوانین کلاسیک هوکل را نمی توان برای چنین سیستم های پیچیده ای اعمال کرد. در واقع، می توان استدلال کرد که این محصول مرزی بین شیمی معدنی و آلی است.

بسیاری از دانشمندان پیش از این تلاش کرده بودند تا این ساختار گریزان را بسازند و مشاهده کنند. اما چرا؟

اهمیت اولین آلوتروپ کربن چرخه ای

خوب، برای شروع، مطالعات اولیه در مورد cyclo[18]کربن نشان می دهد که این ماده جدید می تواند به عنوان یک نیمه رسانا عمل کند که جذابیت اصلی برای سنتز آلوتروپ های کربن جدید یا سایر ترکیبات مانند هیدروکربن های پلی آروماتیک است.

از نقطه نظر صرفاً آکادمیک، این ساختار خاص به طور قابل توجهی کمتر از سایر آلوتروپ های کربن شناخته شده است. بنابراین، یک چالش علمی مهم برای غلبه بر آن بود. 30 سال و تسلط بر تکنیک های مدرن مانند STM-AFM طول کشید تا در واقع مولکولی را ببینیم که خیلی ها فکر نمی کردند به این زودی ها ببینیم.

این کشف همچنین به دانشمند اجازه داد تا یک معمای قدیمی را حل کند. آیا مولکول های حلقوی تمام کربنی چند وجهی (پیوندهای دوگانه و سه گانه متناوب) یا کومولنیک (پیوندهای دوگانه متوالی) هستند؟

همانطور که در تصویر زیر مشاهده می کنید، تصویر تجربی آلوتروپ حلقوی کربن، کاملاً با یک پلی وین پیش بینی شده، ساخته شده از پیوندهای سه گانه و منفرد متناوب مطابقت دارد.

تا اینجا این تحقیقات بسیار اساسی است، زیرا این تکنیک‌ها فقط امکان ساخت «یک مولکول در یک زمان» و در شرایط بسیار خاص را می‌دهند. این اجازه نمی دهد در واقع مقدار کافی از مواد برای آزمایش برنامه های کاربردی بالقوه آماده شود. با این حال، این یک جهش بزرگ در شیمی نانو مواد است و مطمئناً این کشف جامعه علمی را به بسیاری از یافته‌های مرتبط سوق خواهد داد.

تمام اعتبار به:

یک آلوتروپ کربن مولکولی هیبرید شده با اسپ، سیکلو[18]کربن. K. Kaiser، LM Scriven، F. Schulz، P. Gawel، L. Gross، HL Anderson علوم پایه 2019، doi: 10.1126/science.aay1914