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.

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.

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.

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.