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Chemical Bonding

化学家借原子操纵促生环「18」碳

探针显微镜帮助科研人员创造并可视化了早在20世纪80年代被首次被预测的一种碳同素异形体。

by Laura Howes
August 21, 2019 | APPEARED IN VOLUME 97, ISSUE 33

 

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Credit: IBM Research
化学家从一个多环前体(图左)着手,使用电压脉冲摘去一氧化碳分子,从而构成环「18」碳(图右)制造过程中的中间体(中左和中右)。原子力显微镜(AFM)(图下部)显示碳同素异形体具有9重对称。

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在尝试使用不同方法制造一个被预测的碳同素异形体约30年后,化学家们最终借助一些原子操纵实现目标。其研究成果是一个由18个碳原子以单键和三键交替连接构成环 (Science 2019, DOI: 10.1126/science.aay1914)。

“它既是同素异形体也是分子,这便是该合成如此轰动的原因,”加拿大阿尔伯塔大学的物理有机化学家 Rik Tykwinski说,他未参与该工作。

几乎在化学家们发现并表征了另一个碳同素异形体-富勒烯的同时,计算表明,较小的碳分子在理论上可以环形结构存在——名为“环「数字」碳”(cyclo[n]carbons)。但在未能制造、分离和表征这些分子时,化学家们仅可对其性能进行推测,例如碳原子如何键合。如今,科研人员已成功制造和表征了环「18」碳的结构。它们的合成结合了原子级技术和前体分子,后者(前体分子)在20世纪80年代被化学家首次用于尝试制造同素异形体中。

2016年,Leo Gross 与其在瑞士IBM苏黎世研究中心的同事们演示了如何使用扫描隧道显微镜针尖的电压脉冲逐个敲开分子中的键,后使用原子力显微镜(AFM)对所做工作进行检测。当牛津大学Harry Anderson实验室的博士后Przemyslaw Gawel在一次会议上看到 Gross介绍该工作时,他看到了一个机会,即利用IBM的技术寻求被预测的碳环。 Gawel毛遂自荐且两个团队开始合作制造这一环状的同素异形体。

“以我的物理学背景,我知道研究和稳定新的碳同素异形体是非常重要的,”Gross 说。不过,他补充称使其惊讶和高兴的是(制造)该同素异形体的容易。“制造这一分子的成功率看似微乎其微,”他承认。

当团队为该项目的模型系统工作时,首先表明可促使烯烃聚集从而形成分子线 (Nat. Chem., 2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0067-y)。在新的工作中,工作于IBM的博士生Katharina Kaiser使用该方法从一种多环前体中摘去一氧化碳分子最终产生环「18」碳。“破坏远比制造东西更容易,”Gross 说。他补充称团队想将此环及其前体用于定制分子的构建单元和分子电子学。

Kaiser 也使用了原子力显微镜(AFM)探测分子的结构并发现该分子具有九重对称。综合观察和计算结果,使研究团队得出判断,即环「18」碳由单键和三键交替的序列构成,而非备选方案的累积双键。

在20世纪80年代,当Yves Rubin 还是美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的一名博士生时,他便已尝试制造环「18」碳,Yves Rubin 合成了前体分子,该前体分子在此次团队的新工作中获得“重生”。如今, 作为加利福尼亚大学洛杉矶分校团队带头人,Rubin仍致力于富碳分子的研究。他认为该成果是“一个期待已久的结果。”

Tykwinski对此赞同,他将该发现比作富勒烯的发现,“在碳化学中这实在是一项巧妙、里程碑式的研究。”.

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