الكيميائيون يستخدمون طرق التحكم الذري لإنشاء حلقة غير إعتيادية من ثماني عشرة ذرة كربون

بعد حوالي 30 سنة من المحاولات واختبار طرق مختلفة لصنع شكل (أللوتروب) كربوني تم توقعه سابقاً, نجح الكيميائيون أخيراً في الوصول إليه وبالقليل من التحكم الذري. والنتيجة كانت حلقة مكونة من 18 ذرة كربون مرتبطة ببعضها البعض بروابط أُحادية وثلاثية متناوبة (Science 2019, DOI: 10.1126/science.aay1914) .

“إنه أللوتروب وجزيء , وهذا هو السبب بأن اصطناعه مثيراً للغاية” يقول ريك تيكوينسكي, وهو باحث بالكيمياء الفيزيائية العضوية بجامعة ألبرتا, وهو ليس مشاركاً في هذا البحث.

تقريبا في نفس الوقت الذي اكتشف فيه الكيميائيون وشخّصوا أللوتروب (شكل) آخر للكربون وهو الفوليرين, أشارت الحسابات إلى إمكانية نظرية لتشكل جزيئات كربونية أصغر على شكل حلقات , تمت تسميتها حلقي]ن[كربون. لكن في ظل عدم قدرة الكيميائيين على تحضيرها, وعزلها وتشخيصها, فإن كل الذي استطاعوه هو التكهن بخصائص هذه المركبات, مثل كيفية إرتباط ذرات الكربون بها. بينما الآن في هذا البحث تمكن الباحثون بالفعل من تحضير حلقي[18]كربون. طريقة تحضريهم لهذا المركب جمعت تقنيات على المستوى الذري مع جزيئات أولية قام الكيميائيون باستخدامها في محاولاتهم السابقة لتحضير هذا الشكل الكربوني في ثمانينات القرن الماضي.

في عام 2016, أثبت ليو جروس والعاملون معه في مركز بحوثIBM في زوريك, كيف كان بإمكانهم استخدام نبضات فولتية من رأس إبرة الماسح المجهري النفقي TEM لكسر الروابط في أحد الجزيئات واحدةً تلو الأخرى, ومن ثم محاولة فحص وكشف الجزيئة الناتجة عن العملية باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM). عندما رأى بريزميسلو جاويل, وهو باحث ما بعد الدكتوراة (بوستدوك) في مختبر هاري أندرسون في جامعة اوكسفورد, ليو جروس يعرض هذا العمل خلال مؤتمر, وجد إمكانية إستخدام هذه التقنية من IBM للبحث عن الحلقات الكربونية المتوقعة. قدّم جاويل نفسه لجروس , وبدأت المجموعتان تعاونهما لبناء الأللوتروب الكربوني الحلقي.

“باستخدام خلفيتي الفيزيائية يمكنني أن أدرك الأهمية البالغة لدراسة وتثبيت أللوتروب كربوني جديد” يقول جروس. لكنه أضاف أيضاً بأنه كان مندهشاً وسعيدا بسهولة تحضير هذا الأللوتروب , “تحضير هذا الجزيء بدا وكأنه بعيد المنال” يعترف جروس.

عند العمل على أنظمة نموذجية لهذا المشروع, أظهر الفريق بدايةً أن بإمكانه ضم جزيئات الألكينات لتكوين سلك جزيئي (Nat. Chem., 2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0067-y). في هذا العمل الجديد, قامت كاثرينا كايزر, وهي طالبة دكتوراة تعمل في IBM, باستخدام هذه التقنية لإلتقاط ونزع جزيئات أول أكسيد الكربون من المركب متعدد-الحلقات الذي استخدم في البداية ولينتج أخيراً حلقي[18]كربون. “إن كسر الأشياء أسهل بكثير من بنائها” يقول جروس. ويضيف أن مجموعته تريد إستخدام هذه الحلقة, وكذلك المادة التي تم تصنيعها منها , كوحدات بناء جزيئية لمركبات حسب الطلب أو لإلكترونيات جزيئية.

إستخدم كايزر أيضاً مجهر القوة الذرية (AFM) لاستكشاف الشكل الجزيئي للمركب ووجد أنه يحتوي على تسعة تناظرات. الجمع بين هذه الملاحظة مع الحسابات مكنت الفريق من تحديد أن حلقي[18]كربون مبنيِ من تتناوب للروابط الأحادية و الثلاثية, بدلاً من الإحتمال الآخر وهو حلقة مستمرة من الروابط الثنائية.

في ثمانينات القرن الماضي, وعندما كان لا يزال طالب دكتوراة في جامعة كاليفورنيا لوس انجيلوس UCLA وحاول تحضير حلقي[18]كربون, قام ايفس روبن بتحضير المركبات الأولية التي استخدمها هذا الفريق لتحضير حلقي[18]كربون. الآن, وقد عاد الى جامعة كاليفورنيا لوس انجلوس UCLA كرئيس مجموعة بحثية, ما زال روبن يعمل على المركبات الغنية بالكربون. يقول إن هذا العمل هو “نتيجة طال انتظارها”.

تيكوينسكي يؤيده, ويشبّه هذا الاكتشاف باكتشاف الفوليرين. “هذه حقاً دراسة ذكية وستكون معلم تاريخي في كيمياء الكربون”.