Углерод, один из самых распространенных элементов во Вселенной, способен образовывать множество различных форм (аллотропов) благодаря своей валентности. Хорошо известные формы включают алмаз, графит, аморфный углерод, углеродные нанотрубки, сферические и эллипсоидальные фуллерены.
«Хотя это хорошо изученные формы углерода, существуют и менее известные формы, и одна из них, в частности, неуловима — циклоуглерод, где атомы углерода имеют только двух соседей, расположенных в форме кольца», — говорит автор исследования Катарина Кайзер из IBM Research-Zürich.
«Обсуждаемая в течение многих лет структура циклоуглеродов была неизвестна, и обсуждались две возможности: либо со всеми связями в кольце одинаковой длины (только двойные связи), либо с чередующимися более короткими и более длинными связями (чередующиеся одинарные и тройные связи)».
Доказательства их существования были опубликованы в газовой фазе, но из-за их высокой реакционной способности они не могли быть выделены и охарактеризованы — до сих пор.
Подход команды ученых заключался в том, чтобы генерировать циклоуглерод путем атомных манипуляций на инертной поверхности при низких температурах — около 5 К (минус 268 градусов по Цельсию) — и исследовать его с помощью атомно-силовой микроскопии высокого разрешения.
«Изначально мы сосредоточились на линейных сегментах углеродов с двойной координацией, изучая возможные пути создания таких богатых углеродом материалов с помощью атомных манипуляций», — объяснили ученые. «Мы инициировали химические реакции, применяя импульсы напряжения с помощью наконечника атомно-силового микроскопа».
«Мы обнаружили, что такие сегменты могут быть сформированы на медной подложке, покрытой очень тонким слоем поваренной соли. Поскольку слой соли химически очень инертен, реакционноспособные молекулы не образовывали ковалентных связей с ним».
«После успешного создания линейных углеродных сегментов мы попытались создать циклоуглерод на той же поверхности. С этой целью мы синтезировали предшественника циклоуглерода, который представляет собой кольцо из 18 атомов углерода».
Предшественник оксида углерода, C24O6, имеет треугольную форму, и в дополнение к 18 атомам углерода он содержит шесть групп монооксида углерода (CO), повышая стабильность молекулы.
«Используя атомно-силовую микроскопию, мы обнаружили молекулы-предшественники, приготовленные на тонкой соляной пленке», — говорят исследователи.
«Используя импульсы напряжения, приложенные к наконечнику атомно-силового микроскопа, мы могли бы удалить пары CO-групп из предшественника. Мы определили промежуточные соединения с удалением двух и четырех CO-групп». В конце концов, ученым также удалось удалить все шесть CO-групп и образовать циклоуглерод.
«Будущие применения предполагаются тем фактом, что мы могли бы конденсировать циклоуглероды и / или циклические оксиды углерода путем манипуляций с атомами», — говорят авторы.
«Такая возможность формирования более крупных структур с высоким содержанием углерода путем слияния молекул с манипуляциями с атомами открывает путь для создания более сложных молекул с высоким содержанием углерода и новых углеродных аллотропов. Сделанные на заказ молекулярные структуры могут быть использованы в качестве элементов для молекулярной электроники, основанной на переносе одного электрона».
Исследование было опубликовано на прошлой неделе в журнале Science.