Zespół naukowców wytworzył i zobrazował nową formę węgla. Cyklokarbon, bo o nim mowa, to atomowej grubości pierścień składający się z 18 atomów węgla. W badaniach nad wytworzeniem nowej odmiany węgla brał udział Polak - dr Przemysław Gaweł z Uniwersytetu Oksfordzkiego.
Węgiel może być ułożony w wielu konfiguracjach. Kiedy każdy z jego atomów jest związany z trzema innymi atomami węgla, jest to grafit, ten sam, który znamy z ołówków. Gdy dodamy jeszcze jedno wiązanie stanie się jednym z najtwardszych znanych minerałów na Ziemi - diamentem.
Obok wspomnianych powyżej struktur istnieją też inne odmiany alotropowe węgla. Grafen - jednoatomowej grubości płachta węgla o strukturze plastra miodu. Materiał ten jest niemal przezroczysty, odporny na rozciąganie i dobrze przewodzi elektryczność. Z olei fulereny składające się z parzystej liczby atomów węgla tworzą sferę i mogą być nadprzewodnikami lub półprzewodnikami. Niektórzy do odmian węgla zaliczają jeszcze nanorurki – niezwykle wytrzymałe płachty grafenu zwinięte w rurkę.
Dzięki badaniom naukowców z Oxford University i IBM Research możemy do wyżej wymienionych dodać kolejną odmianę węgla – cyklokarbon. Jego opis oraz sposób wytworzenia pojawił się na łamach pisma „Science”.
Cyklokarbon składa się z 18 atomów węgla i ma kształt pierścienia. Każdy atom węgla łączy się jedynie z dwoma sąsiadującymi atomami. Badacze od lat próbowali uzyskać taką strukturę. Najlepsze próby doprowadziły do powstania gazowego pierścienia węglowego, który jednak szybko się rozproszył.
Badania nad strukturą cyklokarbonu sugerują, że działa ona jak półprzewodnik, co oznacza, że ma potencjalne zastosowanie w elektronice. To dobra wiadomość, bo poszukiwania nowych półprzewodników działających w nanoskali są w centrum zainteresowania wielu naukowców. Dzięki takim materiałom możliwe byłoby stworzenie choćby atomowej wielkości bramek logicznych czy tranzystorów. A dzięki temu - dalsze postępy w zakresie miniaturyzacji urządzeń elektronicznych. Jego właściwości będzie można także wykorzystać do tworzenia innych odmian alotropowych węglowa.
Chemicy od dawna sądzili, że powinno być możliwe stworzenie struktury węgla w kształcie pierścienia. Ale do tej pory nikt nie wiedział, jakie będą jej właściwości. - To naprawdę niesamowite, że wytworzyliśmy cykolokarbon i absolutnie wspaniałe, że mogliśmy go scharakteryzować - powiedziała Katharina Kaiser z IBM Research w Zurychu.
Naukowcy swoje prace zaczęli od zsyntetyzowania prekursora cyklo[18]węgla, czyli pierścienia o 18 atomach węgla. Ten prekursor, C24O6, ma kształt trójkąta i oprócz 18 atomów węgla zawiera sześć grup tlenku węgla. Usunięcie tlenku węgla w celu stworzenia pożądanej nowej formy węgla nie było łatwym zadaniem - grupy te pomagają ustabilizować cząsteczkę. Jednak za pomocą impulsów elektrycznych przykładanych do końcówki mikroskopu sił atomowych naukowcom udało się oderwać zewnętrzny tlenek węgla.
W wyniku tej procedury uzyskano odsłonięty pierścień węgla, który został sfotografowany pod mikroskopem sił atomowych. Na zdjęciach widać pojedyncze atomy, a nawet wiązania między nimi.
Etapy tworzenia cyklokarbonu. Na dole widać obrazy uzyskane dzięki mikroskopowi mikroskopii sił atomowych. Fot. IBM Research
Cyklokarbon łatwo reaguje z innymi substancjami, więc aby go wyodrębnić, zespół stworzył nową cząsteczkę węgla na obojętnej powierzchni soli kuchennej. - Na zimnej, obojętnej powierzchni - cienkiej warstwie soli kuchennej - cząsteczki są wystarczająco stabilne, aby umożliwić ich badanie – powiedział w rozmowie z PAP jeden z odkrywców cyklokarbonu, dr Przemysław Gaweł z Uniwersytetu Oksfordzkiego.
Cyklokarbon udało się na razie uzyskać tylko w ściśle kontrolowanych warunkach przy bardzo niskiej temperaturze pięciu kelwinów, czyli ok. minus 268 stopniach Celsjusza. Nie jest pewne, czy związek ten będzie stabilny w wyższych temperaturach. Nie wiadomo także, czy zachowa stabilność, gdy nie będzie izolowany od innych związków zawierających węgiel.
- Dotąd pozostawała nieodkryta odmiana węgla, w której każdy atom tego pierwiastka łączy się tylko z dwoma innymi atomami węgla – powiedział Gaweł. Wyjaśnił, że taka odmiana może mieć dwie postacie: jedną z nich jest polimer - tzw. karbyn (carbyne) - łańcuch złożony z samych atomów węgla. Karbyn jest jednak na tyle niestabilny, że nie udało się go jeszcze wyizolować (wyprodukowano go jedynie we wnętrzu nanorurki).
Co ciekawe, atomy w cyklobarbonie utworzyły naprzemienne wiązania potrójne i pojedyncze. Od tego, jak wyglądają wiązania miedzy atomami, zależą właściwości materiału. Gdyby w pierścieniu byłyby same wiązania podwójne, byłby on - jak przypuszczano - metalicznym przewodnikiem. Natomiast wiązania na przemian pojedyncze i potrójne sugerują, że prawdopodobnie cyklokarbon jest półprzewodnikiem. Dr Gaweł tłumaczy, że to dobra wiadomość, bo półprzewodniki - jeśli chodzi o potencjalne zastosowania - są teraz ciekawszymi strukturami niż przewodniki.
Źródło: PAP, Science News, fot. IBM Research
