Peneliti Berhasil Sintesis dan Visualisasi Cyclo[18]Carbon

Untuk pertama kalinya, peneliti telah mengstabilkan dan secara langsung mencitrakan cincin 18 atom karbon, mengonfirmasi struktur cyclo[18]carbon yang sulit ditemukan.

Karbon adalah salah satu elemen paling melimpah di alam semesta, ada dalam banyak alotrop yang menunjukkan properti yang sangat berbeda—dari kekekalan berlian, di mana setiap karbon terikat tetrahedris, hingga lembaran datar grafit, grafen, nanotube, dan fulleren, di mana setiap karbon trikoordinat.

Di antaranya, siklokarbon—cincin atom karbon yang masing-masing terikat hanya ke dua tetangga—telah sebagian besar teoretis. Selama bertahun-tahun, ilmuwan membahas apakah ikatan cincin semuanya identik (ikatan ganda) atau bercantum antara panjang yang lebih pendek dan lebih lama (alternansi ikatan tunggal–tiga). Meskipun ada bukti fase gas, reaktivitas tinggi molekul ini mencegah isolasi dan karakterisasi terperinci—sampai sekarang.

Manipulasi Atom Memungkinkan Penciptaan Siklokarbon

Berdasarkan keberhasilan sebelumnya dalam mencitrakan molekul dengan mikroskopi gaya atom (AFM) dan mensintesis melalui manipulasi atom, tim Universitas Oxford dan IBM Research bertujuan untuk menciptakan, mengstabilkan, dan mengkarakterisasi siklokarbon.

Gambar 1: Dari kiri ke kanan, molekul prekursor C24O6, perantara C22O4 dan C20O2 dan produk akhir cyclo[18]carbon C18 yang dibuat pada permukaan dengan memecah grup penutup CO menggunakan manipulasi atom. Baris bawah menunjukkan data AFM yang diperoleh dengan ujung yang difungsionalkan CO pada bilayer NaCl pada kristal tunggal Cu.

Dipublikasikan hari ini di Science, pendekatan kami melibatkan pembuatan siklokarbon dengan manipulasi atom pada permukaan iners pada 5 K dan menyelidikinya dengan AFM resolusi tinggi. Kolaborasi dimulai tiga tahun yang lalu dengan tujuan bersama untuk membuka struktur yang telah lama dicari ini.

Fokus awal kami adalah pada segmen linier dari karbon yang dikoordinasi dua kali, mengeksplorasi rute untuk menghasilkan materi kaya karbon melalui manipulasi atom—memicu reaksi dengan memberikan pulsa tegangan dengan ujung AFM. Kami menemukan bahwa segmen tersebut dapat terbentuk pada substrat tembaga yang dilapisi bilayer NaCl kimiawi iners, mencegah ikatan kovalen yang tidak diinginkan dengan permukaan.

Setelah keberhasilan ini, grup Oxford menyintesis prekursor cyclo[18]carbon—C24O6, molekul segitiga yang menampilkan 18 atom karbon plus enam grup CO yang mengstabilkan struktur. Transformasi dari C24O6 ke C18 pertama kali dieksplorasi 30 tahun yang lalu oleh François Diederich dan Yves Rubin. Dengan teknik AFM modern, kami sekarang melihat produk dalam detail atom.

Menggunakan AFM, kami menemukan prekursor C24O6 yang disiapkan pada bilayer NaCl. Dengan memberikan pulsa tegangan ke ujung AFM, kami secara sistematis menghapus grup CO, mengamati perantara dengan dua dan empat grup CO yang dihapus sebelum akhirnya melepas semua enam dan membentuk cyclo[18]carbon.

Pada permukaan dingin dan iners, molekul tetap stabil cukup untuk studi terperinci. Gambar AFM mengungkapkan sembilan lob ceruk yang tersusun dalam lingkaran, yang, saat probe mendekat, terpecah menjadi sudut nonagon—konsisten dengan posisi ikatan tiga. Simulasi mengonfirmasi bahwa cyclo[18]carbon mengadopsi struktur poliyenik dengan ikatan tunggal dan tiga yang bercantum, menyelesaikan perdebatan yang berlangsung lama.

Temuan ini menyarankan kemungkinan masa depan yang menarik. Dengan memadukan siklokarbon atau oksida karbon siklik melalui manipulasi atom, kami dapat menciptakan molekul karbon yang lebih besar dan kustom—potensial alotrop baru—dan membuka jalan untuk elektronika molekular berdasarkan transfer elektron tunggal.

---

Alotrop karbon molekular sp-hibridisasi, cyclo[18]carbon, Katharina Kaiser, Fabian Schulz, and Leo Gross (IBM Research – Zurich); Lorel M. Scriven, Przemyslaw Gawel, and Harry L. Anderson (Oxford University), Science Aug 15, 2019, doi/10.1126/science.aay1914, https://arxiv.org/abs/1908.05904