化學家首次成功合成純碳環

在大多數化學家都已然放棄嘗試很久之后，一個研究小組終于合成出第一個由18個原子組成的環狀純碳分子。化學家從一個由碳和氧組成的三角形分子入手——他們用電流操縱來制造這個碳-18環。對這種被稱為環碳的分子性質進行的初步研究表明，它具有半導體的功能，可以使類似的直碳鏈成為分子級電子元件。

這項研究結果發表在8月15日出版的美國《科學》雜志上。純碳有幾種不同的形式，包括鉆石、石墨和“納米管”。元素的原子可以與自身形成各種構型的化學鍵，例如，每個原子都能以金字塔形狀與4個相鄰的原子結合，就像鉆石一樣；或者與3個相鄰的原子結合，比如構成單原子厚度石墨烯薄片的六角形模式(在塊狀石墨、碳納米管和被稱為富勒烯的球狀分子中也發現了這種三鍵結構)。

然而碳也可以僅僅和附近的兩個原子成鍵。長期以來，諾貝爾獎得主、紐約州伊薩卡市康奈爾大學化學家Roald Hoffmann等人認為，這將導致純碳原子鏈的形成。每個原子可以在每一邊形成一個雙鍵——這意味著相鄰的原子共用兩個電子，或者在一邊形成一個三鍵，在另一邊形成一個單鍵。不同的研究團隊已經嘗試基于這種模式的合成環或鏈。

但是英國牛津大學化學家Przemyslaw Gawel說，由于這種結構類型比石墨烯或金剛石具有更強的化學反應性，因此其穩定性較差，尤其是在彎曲時。合成穩定的鏈和環通常需要包含碳以外的元素。一些實驗已經暗示在一個氣體云中會產生全碳環，但還沒有找到確鑿的證據。

Gawel和他的合作者現在已經創造出了長期尋找的環狀分子碳-18并進行了成像。通過使用標準的“濕”化學方法，他的合作者、牛津大學化學家Lorel Scriven，首次合成的分子包括從環上脫落的有4個碳的正方形，同時正方形上附著有氧原子。隨后，研究小組將他們的樣本送到位于瑞士蘇黎世的IBM實驗室。在那里，合作者將氧—碳分子放在一層氯化鈉上，并置于一個高真空室內。研究人員用電流(借助原子力顯微鏡，也可以使用掃描調諧顯微鏡)一次操作一個環，以去除多余的含氧部分。

經過反復試驗，顯微掃描顯示了18個碳原子的結構。“我從沒想過會看到這個。”Scriven說。IBM的研究人員表示，18碳環有交替的三鍵和單鍵。對于碳-18到底具有這種結構，還是完全由雙鍵構成，理論研究結果一直存在分歧。

研究人員認為，交替的化學鍵類型很有趣，因為它們被認為賦予了碳鏈和碳環以半導體的性質。研究結果表明，長而直的碳鏈也可能是半導體，Gawel說，這可能使它們在未來成為分子大小的晶體管的有用組件。

目前，研究人員正在研究碳-18的基本性質，他們一次只能生成一個分子。研究人員還將繼續嘗試其他可能有更多產量的技術。“迄今為止，這只是非常基礎的研究。”Gawel說。Hoffmann表示：“這項研究工作很漂亮。”不過他補充說，碳-18在脫離鹽表面后是否穩定，以及它是否能比一次合成一個分子更有效，還有待進一步觀察。(中國科學報)