Membuat dan Mencitrakan Siklokarbon

Para ilmuwan telah menstabilkan dan mencitrakan cincin 18 atom karbon untuk pertama kalinya.

Karbon, salah satu unsur paling melimpah di alam semesta, dapat eksis dalam berbagai bentuk (disebut alotrop) memberikan sifat yang sama sekali berbeda dari warna, bentuk, hingga kekerasan. Misalnya, dalam berlian, setiap atom karbon terikat pada empat karbon tetangga, sedangkan pada grafit, graphene, nanotube karbon, dan fullerene, setiap atom karbon terikat pada tiga karbon tetangga.

Meskipun ini adalah bentuk karbon yang dipelajari dengan baik, ada bentuk yang kurang dikenal dan salah satunya sulit dipahami – siklokarbon, di mana atom karbon hanya memiliki dua tetangga, tersusun dalam bentuk cincin.

Dibahas selama bertahun-tahun, struktur siklokarbon tidak diketahui, dan dua kemungkinan diperdebatkan, baik dengan semua ikatan pada cincin dengan panjang yang sama (hanya ikatan rangkap) atau dengan ikatan yang lebih pendek dan lebih panjang (ikatan tunggal dan rangkap tiga yang berselang-seling). Menambah drama, bukti keberadaan mereka diterbitkan dalam fase gas, tetapi karena reaktivitasnya yang tinggi, mereka tidak dapat diisolasi dan dikarakterisasi – sampai sekarang.

Manipulasi Atom

Berdasarkan keberhasilan kami sebelumnya dalam pencitraan molekul dengan mikroskop gaya atom (AFM) dan menciptakan molekul dengan manipulasi atom, para ilmuwan dari Universitas Oxford dan IBM Research berusaha menemukan jawaban atas perdebatan ini. Tujuan kami adalah mensintesis, menstabilkan, dan mengkarakterisasi siklokarbon.

Gambar 1 :Dari kiri ke kanan, molekul prekursor C24O6, zat antara C22O4 dan C20O2 dan produk akhir siklo[18]karbon C18 dibuat di permukaan dengan memisahkan gugus penutup CO menggunakan manipulasi atom. Baris bawah menunjukkan data mikroskop gaya atom (atomic force microscopy/AFM) menggunakan ujung terfungsionalisasi CO, yang diperoleh pada NaCl bilayer pada kristal tunggal Cu.

Diterbitkan hari ini di Sains , pendekatan kami adalah menghasilkan siklokarbon dengan manipulasi atom pada permukaan lembam pada suhu rendah (5 K) dan menyelidikinya dengan AFM resolusi tinggi. Kami memulai kolaborasi antara kelompok Oxford dan IBM tiga tahun lalu dengan tujuan ini.

Awalnya, kami berfokus pada segmen linier dari karbon terkoordinasi dua kali lipat, mengeksplorasi kemungkinan rute untuk membuat bahan kaya karbon tersebut dengan manipulasi atom, yaitu dengan memicu reaksi kimia dengan menerapkan pulsa tegangan dengan ujung mikroskop gaya atom. Kami menemukan bahwa segmen seperti itu dapat dibentuk pada substrat tembaga yang ditutupi oleh lapisan garam meja yang sangat tipis (lapisan ganda NaCl). Karena lapisan garam secara kimiawi sangat lembam, molekul reaktif tidak membentuk ikatan kovalen dengannya (Nat. Chem. 10, 853-858, 2018).

Setelah berhasil membuat segmen karbon linier, kami mencoba membuat siklokarbon pada permukaan yang sama. Untuk tujuan ini, kelompok Oxford mensintesis prekursor untuk siklo[18]karbon (lihat Gambar 1), yaitu cincin dari 18 atom karbon. Prekursor karbon oksida ini, C₂₄ O₆ , memiliki bentuk segitiga dan selain 18 atom karbon mengandung enam gugus karbon monoksida (CO), meningkatkan stabilitas molekul.

Sintesis C₁₈ dari C₂₄ O₆ pertama kali diselidiki 30 tahun lalu oleh François Diederich dan Yves Rubin, yang saat itu tinggal di University of California, Los Angeles (J. Am. Chem. Soc. 1989, 111 , 6870); sekarang, dengan perkembangan terakhir dalam mikroskop gaya atom, kita dapat melihat produk secara detail atom. Lorel Scriven mensintesis karbon oksida, C₂₄ O₆ , di Oxford dan ambil bagian dalam eksperimen AFM pertama di IBM Research – Zurich bersama dengan tim IBM.

Menggunakan AFM, kami menemukan molekul prekursor, disiapkan pada film garam tipis. Menggunakan pulsa tegangan yang diterapkan pada ujung AFM, kami dapat menghilangkan pasangan gugus CO dari prekursor. Kami mengidentifikasi zat antara dengan dua dan empat kelompok CO dihilangkan. Akhirnya, kami juga dapat menghilangkan keenam gugus CO dan membentuk siklo[18]karbon.

Pada permukaan yang dingin dan lembam, molekul cukup stabil untuk memfasilitasi penyelidikan mereka. Dalam gambar AFM, kami mengamati sembilan lobus terang yang diatur dalam lingkaran, bertransisi ke sudut-sudut nonagon saat kami bergerak lebih dekat dengan ujung probe. Perbandingan dengan simulasi menegaskan bahwa lobus terang dan sudut nonagon menunjukkan posisi ikatan rangkap tiga dalam karbon siklo[18]. Kami mengungkapkan struktur poliynik karbon siklo[18], yaitu, kami menemukan bahwa struktur tersebut adalah struktur dengan ikatan tunggal dan rangkap tiga yang berselang-seling.

Aplikasi masa depan disarankan oleh fakta bahwa kita dapat menggabungkan siklokarbon dan/atau karbonoksida siklik dengan manipulasi atom. Kemungkinan pembentukan struktur kaya karbon yang lebih besar dengan menggabungkan molekul dengan manipulasi atom membuka jalan untuk menciptakan molekul kaya karbon yang lebih canggih dan alotrop karbon baru. Akhirnya, struktur molekul yang dibuat khusus dapat digunakan sebagai elemen untuk elektronik molekuler, berdasarkan transfer elektron tunggal.

Sebuah sp -alotrop karbon molekuler hibridisasi, siklo[18]karbon, Katharina Kaiser, Fabian Schulz, dan Leo Gross (Penelitian IBM – Zurich); Lorel M. Scriven, Przemyslaw Gawel, dan Harry L. Anderson (Universitas Oxford) , Sains 15 Agustus 2019, doi/10.1126/science.aay1914, https://arxiv.org/abs/1908.05904

Membuat qubit atom tunggal di bawah mikroskop Mencitrakan molekul dalam status muatan berbeda