ساخت اولین حلقه کربنی خالص توسط شیمی‌دان‌ها

مدت‌های طولانی بود که شیمی‌دان‌ها از ساخت حلقه‌ی کربنی خالص ناامید شده بودند و دیگر تلاشی در این خصوص نداشتند؛ تا اینکه یک تیم تحقیقاتی دست به کار شد و توانست حلقه‌‌ای کربنی با ۱۸ اتم کربن را سنتز کند!

یوشیتو توب، از محققان دانشگاه اوزاکای ژاپن می‌گوید:

این کشف خیره‌کننده، زمینه‌ای جدید برای تحقیقات بیشتر فراهم می‌کند. پیش از این هم، بسیاری از دانشمندان در خصوص تولید حلقه‌ی کربنی و شناسایی ساختارهای مولکولی آن تلاش کرده بودند، اما تلاش‌های آن‌ها بی‌فایده به نظر می‌رسید.

نتایج این بررسی در ۱۵ اوت در ژورنال Nature منتشر شد.

الماس، گرافیت و نانولوله‌ها از ساختارهای معروف کربن خالص هستند. اتم‌های کربن این استعداد را دارند که در پیکربندی‌های مختلف، با یکدیگر پیوندهای شیمیایی برقرار کنند؛ برای مثال، هر اتم می‌تواند با چهار اتم مجاور پیوند برقرار کرده و الگوی هرمی مانند الماس تشکیل دهد یا با سه اتم وارد پیوند شده و ساختارهای هگزاگونال سازنده‌ی ورقه‌های نازگ گرافن را تشکیل دهد. توده‌ی گرافیت در نانولوله‌های کربنی و همچنین مولکول‌های کروی فولرن، از جمله مثال‌های الگوهای سه‌‌باندی است.

علاوه بر این موارد، کربن این قابلیت را دارد که با دو اتم مجاور هم پیوند برقرار کند. مدت‌ها بود که روالد هوفمن، شیمیدان برنده‌ی جایزه نوبل، به همراه یک تیم تحقیقاتی این تئوری را مطرح کردند که همین فرضیه، دستاورد ساخت زنجیره‌ی خالص کربنی را رقم زد. به این ترتیب، هر اتم می‌تواند از هر طرف، یک باند دوتایی را تشکیل دهد. در این حالت اتم از هر طرف یک جفت الکترون به اشتراک می‌گذارد با از یک طرف، پیوند سه‌گانه می‌سازد و از طرف دیگر پیوند یگانه ایجاد می‌کند. تیم‌های مختلف تلاش کرده‌اند تا حلقه‌ها یا زنجیره‌هایی براساس این الگو ترکیب کنند.

با این حال، به‌علت اینکه این نوع ساختار، نسبت به گرافن یا الماس، از پایداری بسیار کم‌تری برخوردار است، معمولا برای شکل‌گیری به اتم‌های دیگری غیر از کربن، نیاز دارد. در این میان، آزمایش‌های دیگری اعلام کرده‌اند که موفق به ساخت حلقه‌های کربنی در یک ابر گازی شده‌اند، اما نتوانستند ادعای خود را به‌صورت قطعی اثبات کنند.

تولد یک حلقه کربنی

اکنون، تلاش‌ها به ثمر نشست و محققان علم شیمی موفق به سنتز یک حلقه‌ی ۱۸ کربنی شدند. در این روش، از یک ساختار حاوی اتم‌های کربن و اکسیژن، حلقه‌ی کربنی استخراج شد.نمونه‌های کربن-اکسیژن پس از انتقال به آزمایشگاه‌های IBM در زوریخ سوییس، روی لایه‌ای از سدیم کلرید، در محفظه‌ی خلاء قرار می‌گرفتند. سپس، تحت اثر جریان‌های الکتریکی (با استفاده میکروسکوپ‌های نیروی اتمی) اتم‌های اکسیژن جدا می‌شدند.پس از چند مرحله آزمون و خطا ، اسکن‌های میکروگرافی ساختار ۱۸کربن را نمایش دادند.

محققان در یافته‌های خود نشان دادند که حلقه‌های ۱۸ کربنی دارای پیوندهای سه‌گانه و یگانه هستند. پیش از این، نتایج نظری در مورد دوگانگی یا سه‌گانگی پیوندهای چنین ساختاری مخالف بودند. وجود چنین پیوندهایی جالب توجه است، زیرا این پیوندها می‌تواند خواص نیمه‌رسانایی را به این حلقه‌ها ببخشد. نتایج نشان می‌دهد که احتمال قابلیت نیمه‌رسانایی در زنجیره‌ه‌ی بلند کربن هم وجود دارد. چنین امکانی می‌تواند به خلق ترانزیستورهایی در سایز مولکولی بیانجامد.

در حال حاضر، محققان تصمیم دارند که به مطالعه در مورد ویژگی‌های اساسی کربن-۱۸ که به‌تازگی آن را سنتز کرده‌اند، بپردازند. علاوه بر این، آن‌ها سعی می‌کنند تا با استفاده از روش‌های جایگزین، در مقیاس بالاتری این ساختار را تولید کنند.