制造和成像环碳

科学家首次对18个碳原子的环进行稳定成像。

碳是宇宙中最丰富的元素之一，可以以不同的形式（称为同素异形体）存在，赋予它从颜色到形状再到硬度的完全不同的特性。例如，在金刚石中，每个碳原子都与四个相邻的碳结合，而在石墨、石墨烯、碳纳米管和富勒烯中，每个碳原子都与三个相邻的碳结合。

虽然这些是碳的充分研究形式，但还有一些鲜为人知的形式，尤其是一种难以捉摸的形式——环碳，其中碳原子只有两个相邻的碳原子，排列成环状。

多年来，环碳的结构是未知的，有两种可能性存在争议，要么是环中所有键的长度都相同（仅双键），要么是短键和长键交替出现（单键和三键交替）。更有趣的是，它们存在的证据在气相中发表，但由于它们的高反应性，直到现在还无法分离和表征它们。

原子操作

基于我们之前在使用原子力显微镜 (AFM) 成像分子和通过原子操作创建分子方面取得的成功，牛津大学和 IBM 研究院的科学家试图找到这场争论的答案。我们的目标是合成、稳定和表征环碳。

图1 ：从左到右，前体分子 C24O6、中间体 C22O4 和 C20O2 以及最终产物环 [18] 碳 C18 通过使用原子操作解离 CO 掩蔽基团在表面产生。下面一行显示了使用 CO 功能化尖端的原子力显微镜 (AFM) 数据，该数据是在 Cu 单晶上的双层 NaCl 上获得的。

今天发表于科学 ，我们的方法是在低温（5 K）下通过原子操作在惰性表面上产生环碳，并用高分辨率 AFM 对其进行研究。三年前，我们带着这个目标开始了牛津大学和 IBM 团队之间的合作。

最初，我们专注于二重配位碳的线性片段，探索通过原子操作创造这种富碳材料的可能途径，即通过用原子力显微镜的尖端施加电压脉冲来触发化学反应。我们发现这样的片段可以在覆盖着一层非常薄的食盐（氯化钠双层）的铜基板上形成。由于盐层在化学上非常惰性，反应性分子没有与其形成共价键（Nat. Chem. 10, 853-858, 2018）。

在成功创建线性碳链段后，我们尝试在同一表面上创建环碳。为此，牛津小组合成了环 [18] 碳的前体（见图 1），即一个由 18 个碳原子组成的环。这种碳氧化物前体 C24O6 呈三角形，除了 18 个碳原子外，它还含有 6 个一氧化碳 (CO) 基团，增加了分子的稳定性。

30 年前，François Diederich 和 Yves Rubin 首次研究了从 C24O6 合成 C18，他们当时在加州大学洛杉矶分校 (J. Am. Chem. Soc. 1989 年，111 , 6870);现在，随着原子力显微镜的最新发展，我们可以看到产品的原子细节。 Lorel Scriven 在牛津合成了碳氧化物 C24O6，并与 IBM 团队一起参加了 IBM Research – Zurich 的第一次 AFM 实验。

使用 AFM，我们定位了在薄盐膜上制备的前体分子。使用施加到 AFM 尖端的电压脉冲，我们可以从前体中去除成对的 CO 基团。我们鉴定了去除了两个和四个 CO 基团的中间体。最终，我们还能够去除所有六个CO基团并形成环[18]碳。

在寒冷、惰性的表面上，分子足够稳定以促进他们的研究。在 AFM 图像中，我们观察到九个明亮的叶瓣排列成一个圆圈，当我们靠近探针尖端时，它们会过渡到九边形的角落。与模拟的比较证实，亮瓣和九边形的角表示环[18]碳中三键的位置。我们揭示了环[18]碳的多元结构，即发现该结构是单键和三键交替的结构。

我们可以通过原子操作融合环碳和/或环状碳氧化物这一事实暗示了未来的应用。这种通过将分子与原子操作融合来形成更大的富碳结构的可能性为创造更复杂的富碳分子和新的碳同素异形体开辟了道路。最终，基于单电子转移的定制分子结构可能被用作分子电子学的元件。

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一个sp -杂化分子碳同素异形体，环[18]碳， Katharina Kaiser、Fabian Schulz 和 Leo Gross（IBM 研究中心 - 苏黎世）； Lorel M. Scriven、Przemyslaw Gawel 和 Harry L. Anderson（牛津大学） ，科学 2019 年 8 月 15 日，doi/10.1126/science.aay1914，https://arxiv.org/abs/1908.05904