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这可能是世界上最小的项链,碳家族里来新人了

|· 本文来自“我是科学家”·|

最近,纳米领域有个有意思的事情。

IBM的科学家创造出了环碳(cyclocarbon)分子。

这种分子是一种由18个碳原子组成的环,因此,这种分子又被命名为环[18]碳(cyclo[18]carbon)

环[18]碳示意图,它如同一个超小的项链 | IBM

如何做一个碳环

环[18]碳,这名字读起来像武侠小说中的剑客一样。

早在1966年,就有学者预测过环碳的结构。随后,也有间接证据表明,在极端条件下(激光或者高温)可以存在一些气态的环碳[1]。但是,因为气态的环碳太不稳定,学者们并没有直接观察到,也没法深入研究相关的性质。

近日,来自IBM和牛津大学的科学家,合作创造了由18个碳原子组成的环碳,相关研究成果发表在了《科学》杂志上。

为了让这18个碳原子手拉手、心连心,科学家们采用了超低温条件下的原子操控技术。

在制备中,他们首先合成了一种名为C24O6的碳-氧分子。物如其名,这种分子中包含24个碳原子和6个氧原子。氧原子的存在,提高了整个分子的稳定性。

接下来,他们将这个分子安置在氯化钠的表面上。之所以选择氯化钠,是因为盐类在低温下是化学惰性的,不会和活泼的碳-氧分子发生反应。

环碳合成方法,其中第三排为C24O6等系列分子的显微图像 | IBM

随后,科学家们结合扫描隧道显微镜(STM)原子力显微镜(AFM)等技术,来对这个分子进行加工。

具体来说,是使用一根极其尖锐的金属探针,通过在探针尖端施加电流,将C24O6中氧原子逐个敲掉,同时,与氧相连的6个碳原子也会被移除。这样,就剩下相互连接的18个碳原子,即环[18]碳。

环[18]碳分子的三维图像 | IBM

纳米界的扛把子——IBM

在创造环碳的过程中,最大的难点无疑是精确操控原子。这种听起来近乎幻想的技术,IBM却早已驾轻就熟。

毕竟,在纳米科研的江湖中,IBM是如“带头大哥”一般的存在。

操控原子所应用到的核心手段,名为“扫描隧道显微镜(STM)”。这项技术就是由IBM的两位学者格尔德·宾宁和海因里希·罗雷尔在1981年首创的。

STM的关键部件是一根非常细的金属探针,针尖与物体表面可以形成电流,通过记录电流的大小与变化,进而可以探测纳米级的微观形貌。

STM的超细探针 | ucla.edu

借由STM,人类如同打开了一只“天眼”,将纳米世界的纷繁尽收眼底。这项成就也荣获了1986年诺贝尔物理学奖。

不过,科学家们不止满足于“看看”,他们更想“动动”。

1990年,又是IBM,他们使用STM将35个氙原子排成了“IBM”三个字母。完成了人类历史上首次对原子的操控。

原子排列成IBM字母 | IBM

原子操控术除了能创造最新的科学发现,还能用来拍电影。2013年,IBM使用几十个原子,拍摄了一部世界最小的电影。

这部名为《小男孩和他的原子》(A boy and his atom)的电影由242帧图片组成,内容讲述了一个(原子级)小男孩玩(原子)皮球的故事。

原子电影A boy and his atom海报 | phys.org

如今,环碳的制备,完全得益于IBM在纳米领域数十年的技术积累。

环碳有什么用?

环碳有了,但它有什么意义呢?

首先,环[18]碳的出现,解答了学者们长久以来的一个疑问——环碳中的原子是怎么连接的?

以前的理论预测是:在环碳中,每个碳原子以双键的形式与旁边的碳原子进行连接。

但本次研究发现:环碳原子连接方式是单键和三键交替连接(alternating triple and single bonds)。

环碳原子单键-三键交替连接示意图 | Wikimedia Commons

根据以往经验,新形式的碳总会给人带来惊喜——富勒烯和石墨烯,都得到了诺贝尔奖。

但目前来看,环碳应该不行。因为它还没有带来重大的理论突破。现如今,我们只知道环碳是一种半导体。此外,这种分子极其不稳定,制备方法又太难,别的研究人员无法深入展开研究。

科学家们自己也说,下一步的实验计划是“探索出能稳定,高效制备环碳的方法”[2]。

他们还有个计划,希望以环碳为组件,去做出一些更复杂碳分子[2]。

现阶段,环碳对于广大群众的意义也不是很大。最大的影响,可能是明年的中考高考及各类化学竞赛里可能会出现这样一道题——

请问,环[18]碳中原子的连接方式是_____?

(编辑:Yuki)

参考文献:

[1] Kaiser, K., Scriven, L. M., Schulz, F., Gawel, P., Gross, L., & Anderson, H. L. (2019). An sp-hybridized molecular carbon allotrope, cyclo [18] carbon. Science, eaay1914.
[2] Making and Imaging Cyclocarbon, IBM research blog, 2019, https://www.ibm.com/blogs/research/2019/08/making-imaging-cyclocarbon/ 
The End

发布于2019-09-09, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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