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Synthesis

Crean ciclo[18]carbono mediante manipulación atómica

La microscopía de sonda ayuda a los investigadores a crear y visualizar un alótropo de carbono que se predijo por primera vez en la década de 1980

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

 

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Los químicos comenzaron con un precursor con varios anillos (izquierda) y utilizaron pulsos de voltaje para recoger moléculas de monóxido de carbono y formar intermedios (centro izquierda y derecha) que les llevasen hacia la fabricación de ciclo[18]carbono (derecha). Las imágenes AFM (abajo) indicaron que el alótropo de carbono tenía una simetría nónuple.

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Tras unos 30 años probando diferentes técnicas para crear un alótropo de carbono predicho teóricamente, un equipo de químicos ha conseguido hacerlo finalmente usando manipulación atómica. El resultado es un anillo de 18 carbonos unidos entre sí de forma alterna mediante enlaces simples y triples (Science 2019, DOI: 10.1126/science.aay1914).

“Se trata tanto de un alótropo como una molécula, que es lo que hace que esta síntesis sea tan espectacular,” dice Rik Tykwinski, químico físico orgánico de la Universidad de Alberta, que no forma parte del equipo que logró este hito.

Casi al mismo tiempo que los químicos descubrieron y caracterizaron otro alótropo de carbono, los fullerenos, los cálculos parecían sugerir que las moléculas de carbono más pequeñas podrían existir teóricamente como anillos: los llamados ciclocarbonos. Pero como no podían fabricar, aislar y caracterizar estas moléculas, los químicos solo podían especular sobre sus propiedades. Entre ellas, la manera en que se unen los átomos de carbono. Ahora, los investigadores han logrado crear y caracterizar la estructura del ciclo[18]carbono. Su síntesis combinó técnicas a nivel atómico con moléculas precursoras, que otros químicos usaron por primera vez en la década de 1980, para intentar fabricar este alótropo.

En 2016, Leo Gross y sus compañeros de IBM Research-Zurich demostraron cómo podían usar pulsos de voltaje en la punta de la aguja de un microscopio de túnel de barrido para romper los enlaces en una molécula uno por uno, y luego inspeccionar lo que habían hecho mediante microscopía de fuerza atómica (AFM). Cuando Przemyslaw Gawel, un postdoc en el laboratorio de Harry Anderson en la Universidad de Oxford, vio a Gross presentar este trabajo en una conferencia, vio la oportunidad de usar la técnica de IBM para conseguir crear los anillos de carbono predichos por la teoría. Gawel se presentó a Gross y los dos grupos comenzaron a colaborar para construir el alótropo cíclico.

“Gracias a mi formación en física, entiendo que estudiar y estabilizar un nuevo alótropo de carbono es un gran reto,” dice Gross. Pero agrega que estaba sorprendido y complacido por lo fácil que fue el alótropo. “Fabricar esta molécula nos parecía una posibilidad remota,” admite.

Al trabajar en sistemas modelo para este proyecto, el equipo primero demostró que podían empujar los alquenos para formar un cable molecular (Nat. Chem. 2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0067-y). En el nuevo trabajo, Katharina Kaiser, una estudiante de doctorado que trabaja en IBM, utilizó el método para extraer moléculas de monóxido de carbono de un precursor con varios anillos y finalmente producir ciclo[18]carbono. “Es mucho más fácil romper cosas que construirlas,” dice Gross. Agrega que el grupo quiere usar este anillo y sus precursores como bloques de construcción moleculares, para poder hacer moléculas personalizadas y electrónica molecular.

Kaiser también usó la AFM para explorar la estructura de la molécula y descubrió que la molécula tiene una simetría nónuple. La combinación de la observación con los cálculos teóricos permitió al equipo determinar que el ciclo[18]carbono está formado por una secuencia alterna de enlaces simples y triples, en lugar de su alternativa, un anillo continuo de dobles enlaces.

En la década de 1980, cuando era estudiante de doctorado en la Universidad de California, Los Ángeles, tratando de producir ciclo[18]carbono, Yves Rubin sintetizó las moléculas precursoras que el equipo ha resucitado para su nuevo trabajo. Ahora, de vuelta en UCLA como líder de grupo, Rubin todavía está trabajando en moléculas ricas en carbono. Él dice que el trabajo es “un resultado muy esperado.”

Tykwinski está de acuerdo y compara el descubrimiento con el de los fullerenos. “Este es realmente un estudio ingenioso e histórico para la química del carbono.”

Traducido al español por Juan José Sáenz de la Torre Lasierra para C&EN. La versión original (en inglés) de este artículo está disponible aquí.

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