Creación y generación de imágenes de ciclocarbono

Los científicos han estabilizado y obtenido imágenes de un anillo de 18 átomos de carbono por primera vez.

El carbono, uno de los elementos más abundantes en el universo, puede existir en diferentes formas (llamadas alótropos) dándole propiedades completamente diferentes de color a forma y dureza. Por ejemplo, en un diamante, cada átomo de carbono está unido a cuatro carbonos vecinos, mientras que en el grafito, el grafeno, los nanotubos de carbono y los fullerenos, cada átomo de carbono está unido a tres carbonos vecinos.

Si bien estas son formas de carbono bien estudiadas, hay formas menos conocidas y una en particular ha sido esquiva:los ciclocarbonos, donde los átomos de carbono tienen solo dos vecinos, dispuestos en forma de anillo.

Discutida durante muchos años, la estructura de los ciclocarbonos era desconocida y se debatieron dos posibilidades, ya sea con todos los enlaces en el anillo de la misma longitud (solo dobles enlaces) o con enlaces alternados más cortos y más largos (alternando enlaces simples y triples). Agregando al drama, la evidencia de su existencia se publicó en la fase gaseosa, pero debido a su alta reactividad, no se pudieron aislar y caracterizar, hasta ahora.

Manipulación de átomos

Basándonos en nuestros éxitos anteriores en la obtención de imágenes de moléculas con microscopía de fuerza atómica (AFM) y la creación de moléculas mediante la manipulación de átomos, los científicos de la Universidad de Oxford e IBM Research intentaron encontrar la respuesta a este debate. Nuestro objetivo era sintetizar, estabilizar y caracterizar el ciclocarbono.

Figura 1 :De izquierda a derecha, la molécula precursora C24O6, los intermedios C22O4 y C20O2 y el producto final ciclo [18] carbono C18 creado en la superficie al disociar grupos de enmascaramiento de CO mediante manipulación de átomos. La fila inferior muestra datos de microscopía de fuerza atómica (AFM) utilizando una punta funcionalizada con CO, obtenida en NaCl bicapa en un monocristal de Cu.

Publicado hoy en Ciencia , nuestro enfoque fue generar ciclocarbono por manipulación de átomos en una superficie inerte a bajas temperaturas (5 K) e investigarlo con AFM de alta resolución. Iniciamos la colaboración entre los grupos de Oxford e IBM hace tres años con este objetivo.

Inicialmente, nos enfocamos en segmentos lineales de carbonos coordinados en dos partes, explorando posibles rutas para crear materiales ricos en carbono mediante la manipulación de átomos, es decir, desencadenando reacciones químicas mediante la aplicación de pulsos de voltaje con la punta del microscopio de fuerza atómica. Descubrimos que tales segmentos podrían formarse sobre un sustrato de cobre cubierto por una capa muy fina de sal de mesa (una bicapa de NaCl). Debido a que la capa de sal es químicamente muy inerte, las moléculas reactivas no formaron enlaces covalentes con ella (Nat. Chem. 10, 853-858, 2018).

Después de la creación exitosa de los segmentos de carbono lineales, intentamos crear ciclocarbono en la misma superficie. Con este fin, el grupo Oxford sintetizó un precursor del ciclo [18] carbono (ver Figura 1), que es un anillo de 18 átomos de carbono. Este precursor de óxido de carbono, C ₂₄ O ₆ , tiene forma triangular y además de los 18 átomos de carbono contiene seis grupos de monóxido de carbono (CO), aumentando la estabilidad de la molécula.

La síntesis de C ₁₈ de C ₂₄ O ₆ fue investigado por primera vez hace 30 años por François Diederich e Yves Rubin, quienes entonces trabajaban en la Universidad de California, Los Ángeles ( J. Am. Chem. Soc. 1989, 111 , 6870); ahora, con los desarrollos recientes en microscopía de fuerza atómica, podemos ver el producto en detalle atómico. Lorel Scriven sintetizó el óxido de carbono, C ₂₄ O ₆ , en Oxford y participó en los primeros experimentos de AFM en IBM Research - Zurich junto con el equipo de IBM.

Usando AFM, localizamos las moléculas precursoras, preparadas en la fina película de sal. Usando pulsos de voltaje aplicados a la punta del AFM, podríamos eliminar pares de grupos CO del precursor. Identificamos intermedios con dos y cuatro grupos CO eliminados. Finalmente, también pudimos eliminar los seis grupos CO y formar ciclo [18] carbono.

En la superficie fría e inerte, las moléculas son lo suficientemente estables como para facilitar su investigación. En las imágenes de AFM, observamos nueve lóbulos brillantes dispuestos en un círculo, pasando a las esquinas de un nonágono a medida que nos acercamos con la punta de la sonda. La comparación con las simulaciones confirmó que los lóbulos brillantes y las esquinas del nonágono indican las posiciones de los triples enlaces en el ciclo [18] carbono. Revelamos la estructura poliínica del ciclo [18] carbono, es decir, encontramos que la estructura es la que alterna enlaces simples y triples.

Las aplicaciones futuras son sugeridas por el hecho de que podríamos fusionar ciclocarbonos y / o carbonóxidos cíclicos mediante la manipulación de átomos. Esta posibilidad de formar estructuras ricas en carbono más grandes mediante la fusión de moléculas con la manipulación de átomos abre el camino para crear moléculas ricas en carbono más sofisticadas y nuevos alótropos de carbono. Eventualmente, las estructuras moleculares hechas a medida podrían usarse como elementos para la electrónica molecular, basadas en la transferencia de un solo electrón.

Un sp -alótropo de carbono molecular hibridado, ciclo [18] carbono, Katharina Kaiser, Fabian Schulz y Leo Gross (IBM Research - Zúrich); Lorel M. Scriven, Przemyslaw Gawel y Harry L. Anderson (Universidad de Oxford) , Science 15 de agosto de 2019, doi / 10.1126 / science.aay1914, https://arxiv.org/abs/1908.05904

Construyendo qubits de un solo átomo bajo un microscopio Moléculas de imágenes en diferentes estados de carga