Pán uhlíkových prstenů: Materiáloví vědci dosáhli legendárního průlomu  
Navzdory mnohaletému úsilí se až doposud nikomu nepodařilo ukout prsten z atomů uhlíku. Nakonec museli spojit síly výzkumné týmy Oxfordu a IBM Research, kteří nakonec ve vakuu Mrazu osudu vyrobili kroužek cyklokarbonu z 18 atomů uhlíku. Nový materiál teď čeká intenzivní výzkum na všechny možné způsoby.
Uhlíkový prstenec vládne všem. Kredit: IBM Research.
Uhlíkový prstenec vládne všem. Kredit: IBM Research.

Uhlík je jako velmi užitečná kostka materiálové stavebnice, která nabízí nepřeberné množství kombinací. Atomy uhlíku mohou vytvořit měkký grafit, ďábelsky tvrdý diamant, hi-tech grafen nebo třeba buckyball, který připomíná klasický fotbalový míč. Jednu věc ale zatím nikdo s uhlíkem nedokázal. Spojit jeho atomy do jednoduchého prstence, v němž se každý uhlík propojí se dvěma sousedními uhlíky. Zní to jednoduše, ale uhlíkové prsteny vzdorovaly materiálovým vědcům padesát let. To nejlepší, co se jim povedlo, byl kroužek plynného uhlíku, který se rychle rozplynul.

 

Kathatrina Kaiser. Kredit: K. Kaiser.
Kathatrina Kaiser. Kredit: K. Kaiser.

Materiáloví vědci z britského Oxfordu spojili své síly s IBM Research a nedávno společně dosáhli legendárního úspěchu, když jako první na světě ukuli stabilní prstenec z uhlíku. Nepotřebovali k tomu výheň Hory osudu ale naopak mráz blízký absolutní nule. Vytvořili molekulu, které se říká cyklokarbon. Tvoří ji 18 uhlíků, což je nejmenší velikost cyklokarbonu, která by podle teoretických modelů měla být termodynamicky stabilní. Úspěch vědeckého týmu potvrdily snímky pokročilou mikroskopií.

 

Prstenec z 18 atomů uhlíku. Kredit: Kaiser et al. (2019), Science.
Prstenec z 18 atomů uhlíku. Kredit: Kaiser et al. (2019), Science.

K čemu jsou dobré mikroskopické uhlíkové prsteny? Podle dosavadního výzkumu fungují jako polovodiče, takže by mohly být využity v elektronice. Významnou vlastností těchto strukturu je i jejich vysoká reaktivita. Právě proto se je až doposud nikomu nepodařilo vyrobit. Díky této reaktivitě by uhlíkové prsteny mohly sloužit jako materiál pro výrobu dalších typů sofistikovaných uhlíkových materiálů.

 

Jak vyrobit uhlíkový prsten? Kredit: IBM Research.
Jak vyrobit uhlíkový prsten? Kredit: IBM Research.

Katharina Kaiser a její kolegové při výrobě uhlíkového prstence nejprve vytvořili oxid cyklokarbonu C24O6, v jehož molekulách trojúhelníkového tvaru jsou řetězce atomů uhlíku pospojovány celkem šesti molekulami oxidu uhelnatého. Poté tyto molekuly umístili na vrstvu chloridu sodného, potaženou na plátku mědi a umístěnou ve vakuové komoře s teplotou těsně nad absolutní nulou. Díky tomu měli k dispozici inertní prostředí, které zaručilo, že vznikající struktura uhlíkového prstence bude stabilní.


Nakonec vědce čekala nesmírně náročná mravenčí práce, kdy se špičkou mikroskopu atomárních sil postupně oddělovali jednu molekulu oxidu uhelnatého za druhou. Podařilo se jim to jenom u 13 procent původních molekul oxidu cyklokarbonu.

 

Badatelé se teď budou snažit produkci cyklokarbonu zjednodušit a zrychlit. Prozatím zvládají vytvořit vždy jen jednu molekulu uhlíkového prstence, ale plánují jich vyrábět několik zároveň. Až budou vyrábět stabilní cyklokarbony v obstojném množství, tak mohou uvažovat o aplikacích nebo třeba tvorbě složitějších variant cyklokarbonů.


Video:  Making and Imaging Cyclocarbon


Literatura
Science Alert 16. 8. 2019, Science online 15. 8. 2019.

Datum: 18.08.2019
Tisk článku

Chemie pro střední školy - Banýr Jiří, kolektiv
 
 
cena původní: 167 Kč
cena: 167 Kč
Chemie pro střední školy
Banýr Jiří, kolektiv
Související články:

Ďábelsky elastické vlákno z oxidu grafenu     Autor: Stanislav Mihulka (03.07.2014)
Vědci objevili novou a velice slibnou formu pevného uhlíku     Autor: Stanislav Mihulka (01.12.2015)
Nová forma uhlíku je tvrdá jako kámen a elastická jako guma     Autor: Stanislav Mihulka (12.06.2017)
Grafenový pancíř je pro kulky tvrdší než diamant     Autor: Stanislav Mihulka (26.12.2017)



Diskuze:

Na VŠCHT jsem sice

Pavel Nedbal,2019-08-18 14:18:43

nebyl žádná hvězda, nicméně se mi podřilo odtamtud odejít dokončil s takovou knížečkou, jakože hotovo, v 1976. Moc se mi líbila organická chemie. Dají se v ní dělat zajímavé věci. Ale s cykloalkany žádný problém nebyl - ač se to někomu nezdá, tak nejjednodušší cyklický uhlovodík už tehdy byl cyklopropan. Cyklohexan jsme si přidávali do benzínu, běžné organické rozpouštědlo. Cyklooktadekan? Aco má být?

Odpovědět


Re: Na VŠCHT jsem sice

Pavel Brož,2019-08-18 15:09:54

Toto není obyčejný cyklooktadekan, tj. cyklický uhlovodík se strukturním vzorcem C18H36, ale čistý cyklický uhlík se strukturním vzorcem C18. Viz ty trojné vazby na obrázku - v reálu ve skutečnosti nepůjde o střídání jednoduchých a trojných vazeb, ale o aromatický kruh s vysokým poměrem elektronů na dvojici sousedních uhlíkových atomů - zatímco u benzenu připadají 3 elektrony na každou dvojici sousedních uhlíků, zde dokonce 4 elektrony, což zřejmě koresponduje s tou vysokou reaktivitou. A také je zřejmé, že vyrobit takovouto strukturu není tak jednoduché, protože úhel v řetězcích se střídajícími se jednoduchými a trojnými vazbami (stejně tak jako v řetězcích s více dvojnými vazbami za sebou) je normálně 180 stupňů, tzn. že zde si museli dát piplavou práci se vznikem struktury, ve které je ten úhel zdeformován ze 180 stupňů na 160 stupňů.

Odpovědět


Re: Re: Na VŠCHT jsem sice

Pavel Nedbal,2019-08-18 22:31:29

Omlouvám se, prolétl jsem to příliš rychle.
Jak ta věc bude stabilní? Sice bude hybridizace orbitalů, takže se to bude blížit spíš rozprostřené dvojné vazbě, ale přece jen... Použitelnost?

Odpovědět


Re: Re: Re: Na VŠCHT jsem sice

Pavel Brož,2019-08-18 23:07:31

Stabilní to nebude podle mě ani trochu. V článku je sice zmínka, že tento kruh by měl být nejnižším termodynamicky stabilním, ovšem na druhou stranu samotný proces přípravy trochu napovídá o tom, jaký druh stability se tím myslí - příprava ve vakuu s teplotou těsně nad absolutní nulou, jednotlivé izolované molekuly fixované van der Waalsovými silami na vrstvě kuchyňské soli, piplavé odstraňování jednotlivých CO skupin hrotem atomárního mikroskopu ... Kdepak, toto s velkou pravděpodobností nepřežije ani vzájemnou interakci těchto molekul mezi sebou, ani styk se vzdušným kyslíkem, ani pokojovou teplotu. Ono bude dost možná docela problém to jenom odloupnout od té vrstvy, k níž je to fixováno, aby se to přitom nezničilo.

Použitelnost? Dnes je ještě brzo na to hádat, kde a jak se to může upotřebit, nepochybně se ale dříve či později najde užitečné uplatnění. Přinejmenším je to zajímavá struktura vykazující vysokou míru symetrie a na elektrony velice bohatý kruh, který se chová jako miniaturní supravodič - na druhou stranu struktur s těmito vlastnostmi existuje více a jsou po dlouhá desetiletí zkoumány. Těžko říct, jestli se najde nějaké šikovné využití, např. kdyby se tyto kruhy posázely na tu vrstvu soli vedle sebe a event. se povedlo nějakým řiditelným mechanismem přenášet elektrony z jednoho do druhého a realizovat tak nějaký nanoelektronický prvek. Event. pokud by se podařilo doprostřed toho kruhu umístit nějaký atom s lichým počtem kovalentních elektronů, a realizovat tak nanoverzi kvantové tečky, a díky tomu i radikálně zmenšit velikost realizovatelných qubitů. Nicméně zdůrazňuji, toto jsou všechno jen plané spekulace - podobných, pro tytéž účely vhodných struktur, existuje celá řada, a skutečné využití tohoto uhlíkového kruhu může být nakonec zcela jiné, přesto ale neméně zajímavé.

Odpovědět


Re: Re: Re: Na VŠCHT jsem sice

Michael Michael,2019-08-19 00:21:35

Jsem doktorand v te Oxfordske skupine (nepracuji na cyklocarbonech).

Stabilita je nijaka, obecne tyto cyclocarbony budou nejspis reagovat sami se sebou, pres ruzne [4+2] cykloadice. Byly ruzne pokusy tento rekneme alotrop uhliku ziskat. Vzdy ale narazely na jejich nestabilitu (napriklad byly pouye detekovany v hmotnostni spectroskopii jako C18+. Zde se uvaril vhodny prekurzorktery se deponoval na povrch a tam se premnenil pouzitym potencialem na cyclocarbon. A protoze ta molekula tam sedi sama, pri 4K, tak se nehybe a ani nema s cim v ultravysokem vakuu zareagovat.

Pouzitelnost?
Zadna. Je to ale forlmane novy alotrop uhliku. Navic Vase uvaha o rozprostredne dvojne vazbe je presne ten typ problemu ktery se na takove molekule zkouma.

Je to ...=C=C=C=C=... a nebo ...-C#C-C#C-C#C-... (kde - je jednoducha, = dvojna a # trojna vazba).

A prave na C18 se ukazalo ze to je spise ten slternujici model ...-C#C-C#C-C#C-...

Odpovida to na nektere fundamentalni problemy napriklad o tom jak by se choval nekonecne dlouhy 1D retez uhliku jako material. Ostatne publikovali to v Science (a bez problemu) :)

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Na VŠCHT jsem sice

Pavel Brož,2019-08-19 02:08:28

Ta alternace je velice zajímavá, takže v tomto konkrétním případě dochází ke spontánnímu snížení symetrie, a to ze symetrie při pootočení o 20 stupňů plus zrcadlové symetrie podle 18 os (z toho 9 procházejících atomy uhlíku a 9 procházejících středy vazeb), na symetrii při pootočení o 40 stupňů plus zrcadlové symetrie podle 9 os procházejících středy vazeb (protože osy procházející atomy uhlíku při alternaci už nejsou osami symetrie vůči zrcadlení).

Protože se dá snadno ukázat, že tato alternace nemůže existovat pro cyklus s lichým počtem atomů, např. pro C19 (jednoduše proto, že by někde vedle sebe musely být buďto dvě sousední trojné vazby, nebo dvě jednoduché, což by obojí odporovalo čtyřmocnosti uhlíku, pokud nechceme v druhém případě zapojit např. i vodík), tak by mě zajímalo, jestli cyklický C19 půjde někdy sestavit nebo jestli to bude nemožné. Pokud by totiž sestavit šel, znamenalo by to, že všechny jeho vazby musí být dvojné. Tzn. že pokud by karbonové cykly s lichým počtem atomů existovaly, tak by u nich ta alternace nenastávala, pouze u cyklů se sudým počtem atomů.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Na VŠCHT jsem sice

Pavel Brož,2019-08-19 02:15:26

Mimochodem, pokud by se cyklický C19 podařilo vyrobit, tudíž se samými dvojnými vazbami místo s alternováním jednoduchých a trojných vazeb, tak by to zároveň znamenalo, že fundamentální problém, jak by se choval nekonečně dlouhý 1D řetěz uhlíku, by zůstal (přinejmenším co se týče otázky té alternace vazeb) stále nezodpovězen.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Na VŠCHT jsem sice

Ogdru Jahad,2019-08-19 08:25:53

pekne by bylo, kdyby takto vznikl mobiovsky system s pokrivenou linii pi orbitalu.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni














Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace