Diament, grafen, grafit, fulereny i... cyklokarbon! Zaobserwowano nową odmianę węgla

Struktury złożone jedynie z atomów węgla mogą mieć różne właściwości, w zależności od tego, jak atomy tego pierwiastka łączą się ze sobą. I tak diament (atomy węgla tworzące regularną krystaliczną, trójwymiarową siatkę) to jeden z najtwardszych znanych dotąd materiałów; jest przezroczysty i nie przewodzi prądu elektrycznego. Grafen za to (jednoatomowej grubości płachta węgla o strukturze plastra miodu) jest niemal przezroczysty, odporny na rozciąganie i świetnie przewodzi elektryczność. Grafit z kolei - znamy go z ołówków (złożony z wielu warstw grafenu) - jest szaroczarny, kruchy, a prąd przewodzi bardzo dobrze. Fulereny zaś (nanopiłki futbolowe z atomów węgla) są ciemne, mogą być nadprzewodnikami lub półprzewodnikami. Niektórzy do odmian węgla zaliczają jeszcze nanorurki (płachty grafenu zwinięte w rurkę) - które są niezwykle wytrzymałe.

Teraz do rodziny tzw. odmian alotropowych węgla trzeba dodać kolejnego członka: cyklokarbon.

Cyklokarbon ma kształt atomowej grubości pierścienia, w którego skład wchodzą wyłącznie połączone ze sobą atomy węgla. W publikacji w "Science"  naukowcy z Uniwersytetu Oxfordzkiego i IBM Research w Zurychu pokazują, jak wyprodukować pierścień złożony z 18 atomów węgla.

Fot: Artystyczna wizja tego, jak wygląda cząsteczka cyklo[18]karbonu. Źródło: IBM Research

WŁAŚCIWE WŁAŚCIWOŚCI

"Wiele wskazuje na to, że cyklokarbon będzie miał właściwości półprzewodnika" - zapowiada w rozmowie z PAP jeden z odkrywców cyklokarbonu dr Przemysław Gaweł z Uniwersytetu Oksfordzkiego. 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.

Cyklokarbon udało się na razie uzyskać tylko w ściśle kontrolowanych warunkach: w niskiej temperaturze (przy 5 kelwinach, czyli ok. -268 stopni C). "Na zimnej, obojętnej powierzchni - cienkiej warstwie soli kuchennej - cząsteczki są wystarczająco stabilne, aby umożliwić ich badanie" - mówi naukowiec. Na razie nie jest pewne, czy związek ten będzie stabilny w wyższych temperaturach oraz kiedy nie będzie izolowany od innych związków zawierających węgiel.

WEWNĘTRZNE POWIĄZANIA

Chemik tłumaczy, że w diamencie każdy atom węgla jest związany z czterema sąsiadującymi atomami węgla, podczas gdy w graficie, grafenie, nanorurkach węglowych czy fulerenach każdy atom węgla jest związany z trzema sąsiadami. "Dotąd pozostawała nieodkryta odmiana węgla, w której każdy atom tego pierwiastka łączy się tylko z dwoma innymi atomami węgla" - mówi w rozmowie z PAP.

Fot: Artystyczna wizja tego, jak wygląda cząsteczka cyklokarbonu w zestawieniu z wynikami eksperymentu. Źródło: IBM Research

Wyjaśnia, 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). "A ja od czterech lat w swoich badaniach próbowałem uzyskać eksperymentalnie cyklokarbon - atomowej grubości węglowy pierścień" - mówi dr Gaweł, jeden z najważniejszych autorów w "Science". Te badania - jak pokazuje publikacja - zostały zwieńczone sukcesem.

Obrazy cyklokarbonu cząsteczki - widać na nich pojedyncze atomy, a nawet wiązania między nimi - udało się uzyskać dzięki mikroskopii sił atomowych (AFM).

WĘGLE PODAJĄ SOBIE RĄCZKI

Zdjęcia uzyskane w badaniach rozwiewają też wątpliwości, które mieli teoretycy co do wiązań chemicznych w tym związku. Z lekcji chemii możemy pamiętać, że od atomu węgla we wzorach związków chemicznych odchodziły zwykle cztery "rączki", które trzeba było zagospodarować. Z modeli teoretycznych nie wynikało jednak jasno, jak takie "rączki" będą sobie podawać atomy w pierścieniu złożonym z samych atomów węgla: czy będą to same wiązania podwójne, czy może - na przemian - wiązania potrójne i pojedyncze? "Nasza publikacja rozwiązuje debatę, która trwała od 50 lat: w naszym cyklokarbonie są to na przemian wiązania potrójne i pojedyncze" - tłumaczy dr Gaweł.

Fot: Obraz cząsteczek widziany dzięki mikroskopii sił atomowych (AFM) i struktura Cyklo[18]karbonu. Źródło:  IBM Research, Science

Od tego zaś, 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.

JAK TO ZBADANO?

Związek udało się uzyskać dzięki manipulacji pojedynczymi atomami. W tym celu grupa z Oksfordu we współpracy z naukowcami z laboratorium IBM w Zurychu zsyntetyzowała prekursor węgla cyklo[18], czyli pierścienia o 18 atomach węgla. Ten prekursor (C24O6) ma kształt trójkąta i oprócz 18 atomów węgla zawiera sześć grup tlenku węgla (CO), co zwiększa stabilność cząsteczki.

Fot: Kolejne etapy tworzenia cząsteczki cyklo[18]karbonu (C18 - rysunek najbardziej po prawej). Dolny rządek pokazuje obraz cząsteczek widziany dzięki mikroskopii sił atomowych (AFM). Źródło: IBM Research

Używając impulsów elektrycznych przykładanych do końcówki sondy mikroskopu - AFM - udało się usunąć pary grup CO z prekursora i w rezultacie utworzyć cyklo[18]karbon.

Dr Gaweł komentuje, że zastosowana w badaniach możliwość tworzenia większych struktur bogatych w węgiel - poprzez łączenie cząsteczek za pomocą manipulacji atomowej - otwiera drogę do tworzenia bardziej wyrafinowanych cząsteczek bogatych w węgiel i nowych odmian alotropowych węgla. 

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ zan/