C18原子连成环状,IBM和牛津大学科研团队成果登

C18原子连成环状,IBM和牛津大学科研团队成果登

时间:2020-03-23 12:25 作者:admin 点击:
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随着材料技术的发展,我们经历了从石器时代到青铜时代,铁器时代,再到后来的硅时代,材料科学的发展,让我们的生产生活方式发生了翻天覆地的变化,如今更是进入了碳时代,我们的石墨烯、碳纳米管等材料,让我们的材料科学又向前迈进了一大步。

最近,IBM和牛津大学的科研团队在Science 上报道了一种单纯由18个碳原子组成的环状分子C18,碳环由交替的单键和三键构成,这位碳材料乃至整个科学史上带来了新物种。这种纯碳组成的环状结构,在很多年前就引起了很多诺贝尔化学奖得主的关注,但是一直都没有成功,逐渐大家都放弃了这个课题,日本大阪的化学家Yoshito Tobe 表示,这是一项令人惊叹的工作,因为这项工作开辟了一个新的研究领域,很多化学家都尝试捕获这种环状的碳化合物,并确定它们的分子结构,都是徒劳无功。

目前我们所熟知的金刚石、石墨烯、碳纳米管、富勒烯等等,取决于碳原子的不同构型所形成的化学键,碳表现出不同的形式,如果每个原子以金字塔形图案与4个相邻原子结合,就形成了金刚石,如果与三个相邻原子结合,就会形成单层石墨烯。

依次往下推导,如果只与两个相邻原子结合成键,会怎样呢?有化学家推测,这样极有可能形成纯碳原子链,每个原子可能在每一侧形成双键,或者一侧形成三键,另一侧形成单键。所以对于C18环到底是具有交替的三键和单键,还是完全由双键构成,一直存在分歧,如今这个困扰已经被圆满解决。

国际上多个研究团队都曾尝试来合成纯碳环或者链,但是这种类型结构比石墨烯或金刚石更具有化学反应性,不够稳定,容易在弯曲的时候发生变化,因此实验一直没有成功,英国牛津大学的化学家Przemyslaw Gawel指出,合成稳定的链和环通常需要包含除碳之外的元素。一些实验表明在气体云中可以产生全碳环,但他们无法找到确凿的证据。

牛津大学的研究团队使用了“湿”化学法,首先合成了包含四个碳原子的方形分子,其中氧原子附着在正方形上,然后研究者将这个样品送到瑞士苏黎世的IBM实验室,研究人员将含氧的碳分子放在高真空室内的氯化钠层上,通过原子力显微镜用电流操纵环以去除含氧部分。经过多次反复试验,最终通过显微照片扫描确认可以合成纯C18环状结构。

Gawel指出,这种单键和三键的交替键颇具特色,它们使得C18环具有半导体的特性。结果表明,长而直的碳链也可能是半导体,这为未来分子级晶体管的实现奠定了基础。这项研究还存在很多问题没有解决,因为这样的实验,一次只能制造一个分子,未来还需要寻找新的制备方法,而且这个C18环是否稳定,这些都是急需进一步研究的问题。

希望这种材料能够发现更多的特殊性质,为材料学的发展提供新的研究方向。