Cyclocarbon 만들기 및 이미징

과학자들은 처음으로 18개의 탄소 원자로 이루어진 고리를 안정화하고 이미지화했습니다.

우주에서 가장 풍부한 원소 중 하나인 탄소는 다른 형태(동소체라고 함)로 존재할 수 있으며 색상, 모양, 경도에 따라 완전히 다른 특성을 제공합니다. 예를 들어 다이아몬드에서 모든 탄소 원자는 4개의 인접 탄소에 결합되어 있는 반면 흑연, 그래핀, 탄소 나노튜브 및 풀러렌에서는 모든 탄소 원자가 3개의 인접 탄소에 결합되어 있습니다.

이들은 잘 연구된 탄소 형태이지만 덜 알려진 형태가 있으며 특히 하나는 파악하기 어려운 탄소 원자가 고리 모양으로 배열된 두 개의 이웃만 있는 사이클로카본입니다.

수년 동안 논의된 사이클로카본의 구조는 알려지지 않았으며, 고리의 모든 결합이 동일한 길이(이중 결합만)이거나 더 짧고 긴 결합(단일 결합과 삼중 결합이 교대)하는 두 가지 가능성이 논의되었습니다. 드라마에 덧붙여서 기체 상태에서 존재의 증거가 공개되었지만, 높은 반응성으로 인해 지금까지 분리 및 특성화할 수 없었습니다.

원자 조작

AFM(Atomic Force Microscopy)으로 분자를 이미징하고 원자 조작으로 분자를 생성한 이전의 성공을 바탕으로 Oxford 대학과 IBM Research의 과학자들은 이 논쟁에 대한 답을 찾으려고 했습니다. 우리의 목표는 사이클로카본을 합성, 안정화 및 특성화하는 것이었습니다.

그림 1 :왼쪽에서 오른쪽으로, 전구체 분자 C24O6, 중간체 C22O4 및 C20O2 및 원자 조작을 사용하여 CO 마스킹 그룹을 해리하여 표면에 생성된 최종 생성물 시클로[18]탄소 C18. 맨 아래 행은 Cu 단결정의 이중층 NaCl에서 얻은 CO 기능화된 팁을 사용한 AFM(원자력 현미경) 데이터를 보여줍니다.

오늘 Science에 게재됨 , 우리의 접근 방식은 저온(5K)에서 불활성 표면에서 원자 조작에 의해 사이클로카본을 생성하고 고해상도 원자현미경으로 이를 조사하는 것이었습니다. 우리는 이 목표를 가지고 3년 전에 Oxford 그룹과 IBM 그룹 간의 협력을 시작했습니다.

처음에 우리는 2중 배위 탄소의 선형 세그먼트에 초점을 맞춰 원자 조작, 즉 원자력 현미경의 끝으로 전압 펄스를 적용하여 화학 반응을 촉발함으로써 탄소가 풍부한 물질을 생성할 수 있는 경로를 탐색했습니다. 우리는 이러한 부분이 매우 얇은 식염층(NaCl의 이중층)으로 덮인 구리 기판에 형성될 수 있음을 발견했습니다. 염층은 화학적으로 매우 불활성이기 때문에 반응성 분자는 이에 대해 공유 결합을 형성하지 않습니다(Nat. Chem. 10, 853-858, 2018).

선형 탄소 세그먼트를 성공적으로 생성한 후 동일한 표면에 사이클로카본을 생성하려고 했습니다. 이를 위해 옥스포드 그룹은 18개의 탄소 원자로 이루어진 고리인 사이클로[18]카본(그림 1 참조)의 전구체를 합성했습니다. 이 탄소 산화물 전구체, C₂₄ O₆ , 삼각형 모양을 가지며 18개의 탄소 원자 외에 6개의 일산화탄소(CO) 그룹을 포함하여 분자의 안정성을 높입니다.

C₁₈의 합성 C₂₄에서 O₆ 30년 전 François Diederich와 Yves Rubin이 처음 조사했으며 이들은 당시 로스앤젤레스 캘리포니아 대학교(J. Am. Chem. Soc.)에 있었습니다. 1989년, 111 , 6870); 이제 원자력 현미경의 최근 발전으로 우리는 제품을 원자 세부 사항으로 볼 수 있습니다. Lorel Scriven은 탄소 산화물, C₂₄를 합성했습니다. O₆ , Oxford에서 IBM 팀과 함께 취리히에 있는 IBM Research의 첫 번째 AFM 실험에 참여했습니다.

원자현미경을 사용하여 얇은 염 필름에 준비된 전구체 분자를 찾았습니다. AFM 끝에 적용된 전압 펄스를 사용하여 전구체에서 CO 그룹 쌍을 제거할 수 있습니다. 2개 및 4개의 CO-그룹이 제거된 중간체를 식별했습니다. 결국 우리는 6개의 CO-그룹을 모두 제거하고 사이클로[18]카본을 형성할 수 있었습니다.

차갑고 비활성인 표면에서 분자는 조사를 용이하게 할 만큼 충분히 안정적입니다. AFM 이미지에서 우리는 탐침 팁으로 더 가까이 이동할 때 정각형의 모서리로 전환되는 원형으로 배열된 9개의 밝은 로브를 관찰했습니다. 시뮬레이션과의 비교를 통해 밝은 엽과 노각형의 모서리가 사이클로[18]카본에서 삼중 결합의 위치를 ​​나타내는 것으로 확인되었습니다. 우리는 cyclo[18]carbon의 다인체 구조를 밝혀냈습니다. 즉, 구조가 단일 결합과 삼중 결합이 교대로 있는 구조라는 것을 발견했습니다.

원자 조작에 의해 고리형 탄소산화물 및/또는 고리형 탄소산화물을 융합할 수 있다는 사실에 의해 미래의 응용이 제안됩니다. 분자를 원자 조작과 융합하여 더 큰 탄소가 풍부한 구조를 형성할 수 있는 가능성은 보다 정교한 탄소가 풍부한 분자와 새로운 탄소 동소체를 생성할 수 있는 길을 열어줍니다. 결국, 맞춤형 분자 구조는 단일 전자 전달을 기반으로 하는 분자 전자 장치의 요소로 사용될 수 있습니다.

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sp -혼성화된 분자 탄소 동소체, 시클로[18]탄소, Katharina Kaiser, Fabian Schulz 및 Leo Gross(IBM Research – 취리히); Lorel M. Scriven, Przemyslaw Gawel, Harry L. Anderson(Oxford University) , Science 2019년 8월 15일, doi/10.1126/science.aay1914, https://arxiv.org/abs/1908.05904