科學(xué)家制造了一個(gè)含18個(gè)碳原子的穩(wěn)定環(huán)碳環(huán)

來自牛津大學(xué)和IBM研究院的一組科學(xué)家成功地制造了環(huán)[18]碳(C18)，這是由18個(gè)碳原子制成的最小的環(huán)碳，預(yù)計(jì)是一個(gè)熱力學(xué)穩(wěn)定的碳環(huán)。先進(jìn)的顯微鏡技術(shù)提供了相同的圖像來證明結(jié)構(gòu)。

這項(xiàng)研究在美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)的科學(xué)雜志上發(fā)表的一篇研究論文和牛津大學(xué)網(wǎng)站上的博客文章中有所描述。

碳可以以多種構(gòu)型排列，并且一種這樣的形式是環(huán)[n]碳，其是鍵合到每個(gè)僅由碳原子組成的碳原子環(huán)。通過各向同性的碳，在相同物理狀態(tài)下以兩種或更多種形式存在的元素的性質(zhì)可以以金剛石，石墨，富勒烯和具有不同物理和化學(xué)性質(zhì)的其他形式存在。

當(dāng)環(huán)中的每個(gè)碳原子與其他三個(gè)碳原子鍵合時(shí)，它是相對(duì)柔軟的石墨，而只需再添加一個(gè)鍵，就會(huì)成為已知最硬的礦物之一 - 鉆石。當(dāng)60個(gè)碳原子以足球形狀結(jié)合在一起時(shí)，你會(huì)得到巴基球。

然而，由于它們的高反應(yīng)性，直到現(xiàn)在還沒有實(shí)現(xiàn)其中每個(gè)原子與兩個(gè)其他碳原子鍵合的碳原子環(huán)，因?yàn)樗鼈儾荒鼙环蛛x或結(jié)構(gòu)表征。過去的嘗試導(dǎo)致氣態(tài)碳環(huán)一旦形成就會(huì)消散。

他們是如何成功實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的

研究人員能夠通過消除環(huán)氧化碳分子C24O6(一種三角形環(huán)氧化碳化合物，其中18個(gè)碳原子與六個(gè)一氧化碳鍵合)中的一氧化碳來生產(chǎn)C18化合物。他們使用原子操作，因?yàn)樗麄儗⑦@種混合物轉(zhuǎn)移到銅板(Cu)上的氯化鈉(NaCl)層，在5開爾文的真空室中冷卻。

環(huán)碳，碳同素異形體，c18，穩(wěn)定的碳環(huán)，穩(wěn)定的碳環(huán)

拆除腳手架制作戒指(圖片來源：IBM Research)

這提供了惰性表面，通過從結(jié)構(gòu)中除去一氧化碳(CO)分子，使結(jié)構(gòu)保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，僅留下碳原子環(huán)，其中碳原子的多環(huán)結(jié)構(gòu)具有交替的三鍵和單鍵。

移除腳手架以制作戒指并不像聽起來那么簡(jiǎn)單。“我們從C24O6中去除了所有六個(gè)CO部分，產(chǎn)率為13%，通常產(chǎn)生環(huán)狀分子，”研究人員在他們的論文中寫道。

環(huán)[n]碳的結(jié)構(gòu)一直是一個(gè)長(zhǎng)期爭(zhēng)論，即碳原子是否在僅通過雙鍵連接或通過交替的單鍵和三鍵連接的環(huán)中。通過高分辨率原子力顯微鏡表征環(huán)[18]碳揭示了具有確定的交替三鍵和單鍵位置的多環(huán)結(jié)構(gòu)。

對(duì)這種環(huán)碳化合物結(jié)構(gòu)的研究表明它可以作為半導(dǎo)體。這意味著它在電子產(chǎn)品中具有潛在用途。這種同素異形體的高反應(yīng)性，即首先使環(huán)碳烴難以分離的特性，可用于制造其他碳同素異形體和富碳材料。

研究人員寫道，“我們的結(jié)果”提供了對(duì)環(huán)狀碳結(jié)構(gòu)的直接實(shí)驗(yàn)見解，并開辟了通過原子操縱產(chǎn)生其他難以捉摸的富碳分子的方法。