Химики из Оксфордского университета и лаборатории IBM Research в Цюрихе впервые синтезировали новую форму углерода. Она имеет вид кольцеобразной молекулы, состоящей из 18 атомов. Успеха учёные сумели добиться, научившись манипулировать отдельными группами атомов.
Углерод обладает значительным числом аллотропных форм, самые известные среди них — это алмаз, графит, разнообразные фуллерены, графен и углеродные нанотрубки. Свойства этих форм значительно различаются, часть из них относится к аморфным веществам, часть – к кристаллическим. «Помимо хорошо изученных форм углерода, существуют менее известные формы, и одна из них, в частности, — неуловимые циклоуглероды, где каждый атом соединён только с двумя соседями, а молекула имеет форму кольца, — говорит Катарина Кайзер (Katharina Kaiser) из Цюриха. — Обсуждаемая в течение многих лет структура циклоуглеродов была неизвестна, и обсуждались две возможности: либо со всеми связями в кольце одинаковой длины (только двойные связи), либо с чередующимися более короткими и более длинными связями (одинарные и тройные связи). Доказательства существования циклоуглеродов были получены в газообразной фазе, но из-за их высокой реакционной способности молекулы не могли быть выделены и охарактеризованы — до самого последнего момента».
Исследователям удалось синтезировать циклоуглерод путём манипуляций с атомами при помощи атомно-силового микроскопа высокого разрешения на инертной поверхности из меди, покрытой тонким слоем NaCl, при температуре всего пять кельвинов (–268 °C). Начав с создания линейных цепочек из атомов углерода, учёные затем перешли к попытке создать циклоуглерод, в кольце которого замкнуто 18 атомов. Исходным материалом стала молекула оксида углерода C24O6, имеющая треугольную форму. В ней к центральному кольцу из 18 атомов углерода добавлены 6 групп монооксида углерода CO, которые повышают стабильность молекулы.
Молекулы C24O6 были обнаружены на медно-соляной подложке при помощи атомно-силового микроскопа, а затем исследователи, приложив импульсы напряжения к зонду микроскопа, сумели удалить из них группы CO. «Возможность формирования более крупных структур с высоким содержанием углерода путём слияния молекул и манипуляций с атомами открывает путь для создания более сложных молекул с высоким содержанием углерода и новых углеродных аллотропов. В итоге сделанные на заказ молекулярные структуры могут быть использованы в качестве элементов для молекулярной электроники, основанной на переносе одного электрона», — говорят о своем методе учёные.
Исследование было опубликовано в журнале Science