下一个有关碳的诺奖?科学家有史以来首次造出稳定的碳环

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下一个有关碳的诺奖?科学家有史以来首次造出稳定的碳环
麻省理工科技评论 2019-08-24

2019-08-24

近日,来自牛津大学(University of Oxford)和 IBM Research 的研究团队共同创造出一个稳定的碳环,这是一件非常了不起的事情。该研究也发表在最新一期的 Science 杂志上。
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近日,来自牛津大学(University of Oxford)和 IBM Research 的研究团队共同创造出一个稳定的碳环,这是一件非常了不起的事情。该研究也发表在最新一期的 Science 杂志上。

碳,作为周期表和地球上最引人瞩目的元素之一,存在于我们生活中 90% 以上的已知物质中。碳元素可以组成多种不同的构型:当它的每个原子都连着另外 3 个碳原子时,形成的是相对柔软的石墨;再加上一个键,它又会变成另一种目前最坚硬的矿物——钻石;而把 60 个碳原子按照足球的形状连在一起,巴基球(即碳-60)就出现了。

值得注意的是,上述这些最少也要求每个碳原子与另外 3 个或以上的碳原子相连接。那如何能单纯地让每个碳原子只连接另外 2 个碳原子,就好像一个人左右手各牵着另外两人一样形成一个碳原子环(苯环是相似结构,但外围牵着个氢),这是科学家们近 50 年来一直回避的问题。

其实,不是科学家们不努力,而是这个设想太“狡猾”。之前科学家们使出浑身解数,也只是生产出了一个很快就会消散的气体碳环。

但就在近日,来自牛津大学(University of Oxford)和 IBM Research 的研究团队共同创造出一个稳定的碳环,这是一件非常了不起的事情。该研究也发表在最新一期的 Science 杂志上。

这种新的环状碳化合物被研究人员称为“环碳”,它由 18 个碳原子组成,从热力学角度上看,这是最稳定也是最小的环碳。目前采用先进的显微技术已经可以拍摄出它的图像。

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图 | 18 个碳原子组成的纯“碳环”(来源:IBM Research)

碳环的创新制造方法

为实现这一“创举”,研究人员耗费了大量精力去尝试各种方法来完成这个“环碳”的制备。他们首先合成了三角形的“环氧-环碳”(C24O6),其拥有 18 个碳原子,另外有 6 个一氧化碳(CO)分子平均分布在三角形的 3 个角上,即在每个角上各聚集了两个 CO 分子。

接下来,他们把这种混合物置于附有一层氯化钠的铜板上,并在真空室中将其冷却至接近于绝对零度的温度。这样,就为三角形的“环氧-环碳”提供了一个可以让它保持自身结构稳定的惰性表面。

最后,研究人员利用原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)的尖端将一氧化碳分子从 C24O6 结构中分离出来,这样就只留下了一个碳原子的环。

说起来简单,但实际操作还是困难重重。研究人员表示,他们不能保证总是在不破坏 C24O6 环状结构的情况下把所有的 CO 分子都敲掉。在一些情况下,它们会被敲成 C22O4 和 C20O2 等分子结构(如下图所示)。

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图 | “环碳”制备的过程及可能产生的其他分子结构(来源:IBM Research)

研究人员在论文中指出:“我们通过从 C24O6 中去除所有 6 个 CO 分子的方法,基本都会产生出环状分子,而制造出环碳的成功率大概为 13 %。”

即便成功率并不是很高,但也比之前科学家们尝试过的各种方法要简单,并且已经成功地得以实现。

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图 | “环碳”结构的示意图(来源:IBM Research)

论文也表示了,目前他们对“环碳”结构的研究结果显示出它是一种半导体,因为在“环碳”中的原子形成了“多环结构”,具有交替的三键和单键,这种交替结构可以产生半导体性。

这意味着它有在电子领域上应用的潜在可能;而“环碳”本身拥有的高反应活性,还意味着它们可以用来制造其他碳的同素异形体和富含碳的材料。

碳材料研究,两获诺奖

关于碳的每次突破,都备受科学家们关注。我们从中学就知道,碳有两种晶体形态:一种是金刚石,如果你不知道,那由其打磨而成、要送给女朋友的钻石肯定有所耳闻;另一种就是石墨,我们也应该知道铅笔里面不是“铅”,而是石墨。

但在 1985 年,人们发现碳还有其他的存在形式:60 个碳原子组成的足球结构——巴基球,也就是碳-60。巴基球的发现及其所属的富勒烯(Fullerene)家族让 Robert Floyd Curl、Harold Kroto 和 Richard Errett Smalley 三人分享了 1996 年的诺贝尔化学奖。

而后,人们又发现了几厘米长,直径在 1 纳米左右,由碳原子组成的管状结构——碳纳米管。接下来,就是让普通人都耳熟能详的石墨烯了,它也是一种由碳原子组成的六角型蜂巢状晶格的单层二维纳米材料。

2010 年的诺贝尔物理学奖就颁给了曼彻斯特大学的两位物理学家 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov,以表彰他们对石墨烯研究做出的贡献。

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图 | 石墨烯结构(来源:zdnet.com)

至于这次“环碳”的发现,同样也是碳元素在其漫长的科研发展史上的一个重要节点。当然,它具体能给“人丁兴旺”的碳家族带来怎样的影响还未可知,但其本身潜在的特殊性质,或许会在未来给科学家们带来新的惊喜。

对于接下来的研究方向,研究人员表示首先要改进“环碳”的制造工艺,以便获得更为可靠的产量。因为目前一次只能制造一个,所以研究团队计划去寻找能同时制造多个“环碳”的方法。

与此同时,因为已经拥有了稳定的“环碳”,科学家们就可以开始着手开展一系列的应用试验——比如,弄清楚如何利用“环碳”的半导体特性,或者去探索怎样依靠“环碳”的特性使其作为更复杂分子的基本组成部分。

“我们研究出的结果,提供了对环碳结构的直接实验性洞见,同时也为通过原子操作来创造其他难以捉摸的、富含碳的分子结构开辟了一条崭新的道路。”研究人员如是说。


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