Lần đầu tiên, các nhà Khoa học đã tạo ra một vòng carbon tinh khiết ổn định

Carbon có thể được sắp xếp trong một số cấu hình. Khi mỗi nguyên tử của nó được liên kết với ba nguyên tử carbon khác, đó là than chì tương đối mềm. Thêm một liên kết nữa và nó trở thành một trong những khoáng chất cứng nhất được biết đến, kim cương. Ném 60 nguyên tử carbon với nhau trong hình một quả bóng và ta có cấu hình buckyballs. Nhưng một vòng các nguyên tử carbon, trong đó mỗi nguyên tử được liên kết với chỉ hai nguyên tử carbon khác, và không có gì khác? Đó điều mà các nhà khoa học đã lảng tránh trong suốt 50 năm. Những nỗ lực tốt nhất của họ là tạo ra một vòng carbon ở thể khí nhanh chóng tiêu tan.
Vì vậy, đó là một vấn đề khá lớn khi một nhóm các nhà nghiên cứu, từ Đại học Oxford và IBM Research, đã tạo ra một vòng carbon ổn định. Hợp chất carbon hình vòng, được gọi là cyclocarbon, được tạo ra từ 18 nguyên tử carbon, loại cyclocarbon nhỏ nhất được dự đoán là nhiệt động ổn định. Và các kỹ thuật kính hiển vi tiên tiến đã chụp được hình ảnh của nó. Cho đến nay, nghiên cứu về cấu trúc của cyclocarbon đã gợi ý rằng nó hoạt động như một chất bán dẫn, rất có tiềm năng sử dụng trong điện tử. Và chính đặc tính khiến cyclocarbons rất khó phân lập ngay từ đầu - khả năng phản ứng cao của chúng - có nghĩa là chúng có thể được sử dụng để tạo ra các đồng vị carbon và vật liệu giàu carbon khác. Để đạt được kỳ tích này, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu bằng cách tổng hợp cyclocarbon oxide hình tam giác C24O6. Đó là 18 nguyên tử carbon, liên kết với sáu phân tử carbon monoxide, hai nhóm ở mỗi ba góc của tam giác. Họ đã chuyển hỗn hợp này trên một lớp NaCl trên một tấm đồng, được làm lạnh trong buồng chân không đến độ không tuyệt đối. Điều này đã cung cấp một bề mặt trơ giữ cho cấu trúc ổn định. Sau đó, sử dụng đầu của kính hiển vi lực nguyên tử, nhóm nghiên cứu đã loại các phân tử carbon monoxide (CO) ra khỏi cấu trúc, chỉ để lại các vòng nguyên tử carbon phía sau. Lý thuyết luôn dễ dàng hơn thực tế nhiều, tất nhiên. Các nhà nghiên cứu không thể luôn loại bỏ tất cả các phân tử CO mà không làm sập cấu trúc vòng; trong nhiều trường hợp, thay vào đó họ đã tạo ra các phân tử như C22O4 và C20O2 (xem hình dưới). "Chúng tôi đã loại bỏ tất cả sáu phân tử CO khỏi C24O6, với năng suất 13%, thường dẫn đến các phân tử tròn", các nhà nghiên cứu viết trong bài báo của họ. Thật thú vị, các nguyên tử trong cyclocarbon đã hình thành cái được gọi là cấu trúc đa hình, với các liên kết ba và đơn xen kẽ. Từ lâu đã có một câu hỏi liệu carbon một chiều sẽ tạo ra cấu trúc này hay cấu trúc tích lũy, với các liên kết đôi lặp đi lặp lại. Đây là cấu trúc xen kẽ được cho là tạo ra chất bán dẫn - và nó cho thấy chuỗi carbon cũng sẽ là chất bán dẫn.
 

© IBM Research
Quá trình xây dựng cyclocarbons sẽ cần phải được tinh chế để tạo ra một sản lượng đáng tin cậy hơn, để bắt đầu. Hiện tại, một lần chỉ có thể tạo ra được một vòng, vì vậy nhóm dự định tìm cách xây dựng nhiều cyclocarbons cùng một lúc. Và bây giờ, khi các cyclocarbons ổn định đã được sản xuất, các nhà khoa học có thể bắt đầu thử nghiệm các ứng dụng - tìm ra cách thức bán dẫn có thể được khai thác, ví dụ, hoặc khám phá các tính chất cyclocarbon như một khối xây dựng cơ bản cho các phân tử phức tạp hơn.
"Kết quả của chúng tôi", các nhà nghiên cứu viết, "cung cấp những hiểu biết thử nghiệm trực tiếp về cấu trúc của cyclocarbon và mở đường để tạo ra các phân tử giàu carbon khó nắm bắt khác bằng thao tác nguyên tử."
Nguồn: https://science.sciencemag.org/content/early/2019/08/14/science.aay1914