Вуглець, один з найпоширеніших елементів у Всесвіті, здатний утворювати безліч різних форм (аллотропів) завдяки своїй валентності. Добре відомі форми включають алмаз, графіт, аморфний вуглець, вуглецеві нанотрубки, сферичні та еліпсоїдальні фуллерени.
«Хоча це добре вивчені форми вуглецю, існують і менш відомі форми, і одна з них, зокрема, невловима - цикловуглець, де атоми вуглецю мають тільки двох сусідів, розташованих у формі кільця», - говорить автор дослідження Катаріна Кайзер з IBM Research-Zürich.
"Обговорювана протягом багатьох років структура цикловуглеців була невідома, і обговорювалися дві можливості: або з усіма зв'язками в кільці однакової довжини (тільки подвійні зв'язки), або з коротшими зв'язками (що чергуються одинарні і потрійні зв'язки) ".
Докази їх існування були опубліковані в газовій фазі, але через їх високу реакційну здатність вони не могли бути виділені і охарактеризовані - досі.
Підхід команди вчених полягав у тому, щоб генерувати цикловуглець шляхом атомних маніпуляцій на інертній поверхні при низьких температурах - близько 5 К (мінус 268 градусів за Цельсієм) - і досліджувати його за допомогою атомно-силової мікроскопії високої роздільної здатності.
«Спочатку ми зосередилися на лінійних сегментах вуглеців з подвійною координацією, вивчаючи можливі шляхи створення таких багатих вуглецем матеріалів за допомогою атомних маніпуляцій», - пояснили вчені. «Ми ініціювали хімічні реакції, застосовуючи імпульси напруги за допомогою наконечника атомно-силового мікроскопа».
"Ми виявили, що такі сегменти можуть бути сформовані на мідній підкладці, покритій дуже тонким шаром кухонної солі. Оскільки шар солі хімічно дуже інертний, реакційноздатні молекули не утворювали ковалентних зв'язків з ним ".
"Після успішного створення лінійних вуглецевих сегментів ми спробували створити цикловуглець на тій же поверхні. З цією метою ми синтезували попередника циклоуглецю, який являє собою кільце з 18 атомів вуглецю ".
Попередник оксиду вуглецю, C24O6, має трикутну форму, і на додаток до 18 атома вуглецю він містить шість груп монооксиду вуглецю (CO), підвищуючи стабільність молекули.
«Використовуючи атомно-силову мікроскопію, ми виявили молекули-попередники, приготовані на тонкій соляній плівці», - кажуть дослідники.
"Використовуючи імпульси напруги, додані до наконечника атомно-силового мікроскопа, ми могли б видалити пари CO-груп з попередника. Ми визначили проміжні з'єднання з видаленням двох і чотирьох CO-груп ". Зрештою, вченим також вдалося видалити всі шість CO-груп і утворити цикловуглець.
«Майбутні застосування передбачаються тим фактом, що ми могли б конденсувати цикловуглеці та/або циклічні оксиди вуглецю шляхом маніпуляцій з атомами», - кажуть автори.
"Така можливість формування більш великих структур з високим вмістом вуглецю шляхом злиття молекул з маніпуляціями з атомами відкриває шлях для створення більш складних молекул з високим вмістом вуглецю і нових вуглецевих аллотропів. Зроблені на замовлення молекулярні структури можуть бути використані як елементи для молекулярної електроніки, заснованої на перенесенні одного електрону ".
Дослідження було опубліковано минулого тижня в журналі Science.