从石器时代,到青铜器时代和铁器时代,再到硅时代,科学技术,尤其是材料技术的发展始终推动着人类社会的不断进步。当今世界,富勒烯,碳纳米管,石墨烯等新型碳纳米材料不断涌现,为社会生活方方面面的变革带来巨大的潜力,似乎昭示着碳时代的到来。
横空出世:C18环状分子(环碳)
Cyclocarbon
9月20日,来自IBM和牛津大学的研究团队在Science报道了一种单纯由18个碳原子组成的环状分子C18,碳环由交替的单键和三键构成,这为碳材料乃至整个科学史上带来了新物种。
事实上,这种由纯碳组成的环状分子,早在多年前就引起包括诺贝尔化学奖得主在内的众多科学家的关注,但是都没有成功,大都数化学家都已经放弃了这个课题。
诺贝尔化学奖得主Roald Hoffmann称赞说:“这项工作非常好(The work is beautiful)。”
日本大阪大学的化学家Yoshito Tobe说:“这是一项令人惊叹的工作,开辟了一个新的研究领域。许多科学家,包括我自己,都试图捕获环状的碳化合物并确定它们的分子结构,但是都徒劳无功。”
50年的谜团
目前已知的纯碳的存在形式主要包括金刚石,富勒烯,碳纳米管和石墨烯。取决于碳原子的不同构型所形成的化学键,碳表现出不同的形式。如果每个原子以金字塔形图案与4个相邻原子结合,就形成金刚石;如果与3个相邻原子结合,就形成单层石墨烯。
那么,如果每个碳原子与2个相邻原子结合成键,会怎样呢?
诺奖得主Roald Hoffmann等人很早之前就推测,每个碳原子与2个相邻原子结合成键,极有可能形成纯碳原子链。每个原子可能在每一侧形成双键(意味着相邻的原子共享两个电子),或者一侧是三键而另一侧是单键。对于C18环到底是具有交替的三键和单键,还是完全由双键构成,理论预测长期存在分歧,困扰了科学家长达50年之久,这一实验结果正式宣告了分歧的结束。
基于这种推测,国际上多个团队曾经尝试来合成纯碳环或者链,但是由于这种类型的结构比石墨烯或金刚石更具有化学反应性,不太稳定,特别是在弯曲时容易发生变化,因此几乎所有的尝试都以失败告终。英国牛津大学的化学家Przemyslaw Gawel指出,合成稳定的链和环通常需要包含除碳之外的元素。一些实验表明在气体云中可以产生全碳环,但他们无法找到确凿的证据。
意外发现?
牛津大学的研究团队使用标准的“湿”化学法,首先合成了包含四个碳原子的方形分子,其中氧原子附着在正方形上。然后,该团队将样品送到瑞士苏黎世的IBM实验室,研究人员将含氧的碳分子放在高真空室内的氯化钠层上,通过原子力显微镜(也可以作为扫描调谐显微镜)用电流操纵环以去除含氧部分。经过多次反复试验,最终通过显微照片扫描确认可以合成纯C18环状结构。
来自牛津大学的共同第一作者Scriven表示:“我从没想过我会看到这个。”
Gawel指出,这种单键和三键的交替键颇具特色,它们使得C18环具有半导体的特性。结果表明,长而直的碳链也可能是半导体,这为未来分子级晶体管的实现奠定了基础。
未来可期
不过,这还是非常基础的研究,也存在许多问题悬而未决。一个方面是,目前一次只能制造一个分子,希望未来能进一步突破,实现这种分子的新的制备方法。第二个问题正如诺奖得主Roald Hoffmann所提出,这种C18环是否稳定,也是未来需要进一步研究的问题。第三个问题则在于,这种材料是否具有独特的性质,是否将为碳材料带来全新的机遇?
参考文献:
【1】Katharina Kaiser et al. An sp-hybridizedmolecular carbon allotrope, cyclo[18]carbon. Science .
链接
【2】Davide Castelvecchi. Chemists makefirst-ever ring of pure carbon. Nature .
链接