Felietony

Diament, grafen, grafit, fulereny i… cyklokarbon! Zaobserwowano nową odmianę węgla

Podoba Ci się to co robimy? Wesprzyj projekt Magna Polonia!

Podręczniki do aktualizacji? Diament, grafen, grafit, fulereny (a także nanorurki) nie są już jedynymi znanymi odmianami węgla! Zaobserwowano węgiel w kolejnej postaci: to cyklokarbon – atomowej wielkości węglowy pierścień. Odkrycie odnotowane w „Science” jest zasługą m.in. Polaka.

Struktury złożone jedynie z atomów węgla mogą mieć różne właściwości, w zależności od tego, jak atomy tego pierwiastka łączą się ze sobą. I tak diament (atomy węgla tworzące regularną krystaliczną, trójwymiarową siatkę) to jeden z najtwardszych znanych dotąd materiałów; jest przezroczysty i nie przewodzi prądu elektrycznego. Grafen za to (jednoatomowej grubości płachta węgla o strukturze plastra miodu) jest niemal przezroczysty, odporny na rozciąganie i świetnie przewodzi elektryczność. Grafit z kolei – znamy go z ołówków (złożony z wielu warstw grafenu) – jest szaroczarny, kruchy, a prąd przewodzi bardzo dobrze. Fulereny zaś (nanopiłki futbolowe z atomów węgla) są ciemne, mogą być nadprzewodnikami lub półprzewodnikami. Niektórzy do odmian węgla zaliczają jeszcze nanorurki (płachty grafenu zwinięte w rurkę) – które są niezwykle wytrzymałe.

Teraz do rodziny tzw. odmian alotropowych węgla trzeba dodać kolejnego członka: cyklokarbon.

Cyklokarbon ma kształt atomowej grubości pierścienia, w którego skład wchodzą wyłącznie połączone ze sobą atomy węgla. W publikacji w „Science” (https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.aay1914) naukowcy z Uniwersytetu Oxfordzkiego i IBM Research w Zurychu pokazują, jak wyprodukować pierścień złożony z 18 atomów węgla.

WŁAŚCIWE WŁAŚCIWOŚCI

„Wiele wskazuje na to, że cyklokarbon będzie miał właściwości półprzewodnika” – zapowiada w rozmowie z PAP jeden z odkrywców cyklokarbonu, dr Przemysław Gaweł z Uniwersytetu Oksfordzkiego. To dobra wiadomość, bo poszukiwania nowych półprzewodników działających w nanoskali są w centrum zainteresowania wielu naukowców. Dzięki takim materiałom możliwe byłoby stworzenie choćby atomowej wielkości bramek logicznych czy tranzystorów. A dzięki temu – dalsze postępy w zakresie miniaturyzacji urządzeń elektronicznych.

Cyklokarbon udało się na razie uzyskać tylko w ściśle kontrolowanych warunkach: w niskiej temperaturze (przy 5 kelwinach czyli ok. -268 stopni C). „Na zimnej, obojętnej powierzchni – cienkiej warstwie soli kuchennej – cząsteczki są wystarczająco stabilne, aby umożliwić ich badanie” – mówi naukowiec. Na razie nie jest pewne, czy związek ten będzie stabilny w wyższych temperaturach oraz kiedy nie będzie izolowany od innych związków zawierających węgiel.

WEWNĘTRZNE POWIĄZANIA

Chemik tłumaczy, że w diamencie każdy atom węgla jest związany z czterema sąsiadującymi atomami węgla, podczas gdy w graficie, grafenie, nanorurkach węglowych czy fulerenach każdy atom węgla jest związany z trzema sąsiadami. „Dotąd pozostawała nieodkryta odmiana węgla, w której każdy atom tego pierwiastka łączy się tylko z dwoma innymi atomami węgla” – mówi w rozmowie z PAP.

Wyjaśnia, że taka odmiana może mieć dwie postacie: jedną z nich jest polimer – tzw. karbyn (carbyne) – łańcuch złożony z samych atomów węgla. Karbyn jest jednak na tyle niestabilny, że nie udało się go jeszcze wyizolować (wyprodukowano go jedynie we wnętrzu nanorurki). „A ja od czterech lat w swoich badaniach próbowałem uzyskać eksperymentalnie cyklokarbon – atomowej grubości węglowy pierścień” – mówi dr Gaweł, jeden z najważniejszych autorów publikacji w „Science”. Te badania – jak pokazuje publikacja w „Science” – zostały zwieńczone sukcesem.

Obrazy cyklokarbonu cząsteczki – widać na nich pojedyncze atomy, a nawet wiązania między nimi – udało się uzyskać dzięki mikroskopii sił atomowych (AFM).

WĘGLE PODAJĄ SOBIE RĄCZKI

Zdjęcia uzyskane w badaniach rozwiewają też wątpliwości, które mieli teoretycy co do wiązań chemicznych w tym związku. Z lekcji chemii możemy pamiętać, że od atomu węgla we wzorach związków chemicznych odchodziły zwykle cztery „rączki”, które trzeba było zagospodarować. Z modeli teoretycznych nie wynikało jednak jasno, jak takie „rączki” będą sobie podawać atomy w pierścieniu złożonym z samych atomów węgla: czy będą to same wiązania podwójne, czy może – na przemian – wiązania potrójne i pojedyncze? „Nasza publikacja rozwiązuje debatę, która trwała od 50 lat: w naszym cyklokarbonie są to na przemian wiązania potrójne i pojedyncze” – tłumaczy dr Gaweł.

Od tego zaś, jak wyglądają wiązania miedzy atomami, zależą właściwości materiału. Gdyby w pierścieniu byłyby same wiązania podwójne, byłby on – jak przypuszczano – metalicznym przewodnikiem. Natomiast wiązania na przemian pojedyncze i potrójne sugerują, że prawdopodobnie cyklokarbon jest półprzewodnikiem. Dr Gaweł tłumaczy, że to dobra wiadomość, bo półprzewodniki – jeśli chodzi o potencjalne zastosowania – są teraz ciekawszymi strukturami niż przewodniki.

JAK TO ZBADANO?

Związek udało się uzyskać dzięki manipulacji pojedynczymi atomami. W tym celu grupa z Oksfordu we współpracy z naukowcami z laboratorium IBM w Zurychu zsyntetyzowała prekursor węgla cyklo[18], czyli pierścienia o 18 atomach węgla. Ten prekursor, C24O6, ma kształt trójkąta i oprócz 18 atomów węgla zawiera sześć grup tlenku węgla (CO), co zwiększa stabilność cząsteczki.

Używając impulsów elektrycznych przykładanych do końcówki sondy mikroskopu – AFM – udało się usunąć pary grup CO z prekursora i w rezultacie utworzyć cyklo[18]karbon.

Dr Gaweł komentuje, że zastosowana w badaniach możliwość tworzenia większych struktur bogatych w węgiel – poprzez łączenie cząsteczek za pomocą manipulacji atomowej – otwiera drogę do tworzenia bardziej wyrafinowanych cząsteczek bogatych w węgiel i nowych odmian alotropowych węgla. (PAP)

Autorka: Ludwika Tomala

Grzegorz Braun! Stanisław Michalkiewicz! Jerzy Robert Nowak i inni autorzy w Nowym numerze Magna Polonia sprawdź już teraz!! Kupując wpierasz wolne media!

Podoba Ci się to co robimy? Wesprzyj projekt Magna Polonia!