Science：新领域！原子力显微镜拍到合成纯碳环

　　仪器信息网讯 纯碳有几种不同的形式，包括钻石、石墨和“纳米管”。元素的原子可以与自身形成各种构型的化学键，例如，每个原子都能以金字塔形状与4个相邻的原子结合，就像钻石一样;或者与3个相邻的原子结合，比如构成单原子厚度石墨烯薄片的六角形模式。

　　碳也可以仅仅和附近的两个原子成键。诺贝尔奖得主、纽约州伊萨卡市康奈尔大学化学家Roald Hoffmann等人认为，这将导致纯碳原子链的形成。每个原子可以在每一边形成一个双键——这意味着相邻的原子共用两个电子，或者在一边形成一个三键，在另一边形成一个单键。8月15日，英国牛津大学化学家Przemyslaw Gawel和Lorel Scriven等研究人员首次合成出第一个由18个原子组成的环状纯碳分子并发表在《Science》杂志上。研究人员从一个由碳和氧组成的三角形分子入手，通过用电流操纵制造出了碳-18环。对这种被称为环碳的分子性质进行的初步研究表明，它具有半导体的功能，可以使类似的直碳链成为分子级电子元件。

用原子力显微镜拍摄的碳-18分子的三维图像 图自IBM

　　Gawel和Scriven现在已经合成出了长期寻找的环状分子碳-18并进行了成像。研究小组将他们的样本送到位于瑞士苏黎世的IBM实验室。在那里， Scriven将氧—碳分子放在一层氯化钠上，并置于一个高真空室内。研究人员用电流(借助原子力显微镜，也可以使用扫描调谐显微镜)一次操作一个环，以去除多余的含氧部分。原子力显微镜是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。

　　经过反复试验，显微扫描显示了18个碳原子的结构。“我从没想过会看到这个。”Scriven说。IBM的研究人员表示，18碳环有交替的三键和单键。对于碳-18到底具有这种结构，还是完全由双键构成，理论研究结果一直存在分歧。

　　Gawel说，由于这种结构类型比石墨烯或金刚石具有更强的化学反应性，因此其稳定性较差，尤其是在弯曲时。合成稳定的链和环通常需要包含碳以外的元素。一些实验已经暗示在一个气体云中会产生全碳环，但还没有找到确凿的证据。

　　目前，研究人员正在研究碳-18的基本性质，他们一次只能生成一个分子。研究人员还将继续尝试其他可能有更多产量的技术。“迄今为止，这只是非常基础的研究。”Gawel说。Hoffmann表示：“这项研究工作很漂亮。”不过他补充说，碳-18在脱离盐表面后是否稳定，以及它是否能比一次合成一个分子更有效，还有待进一步观察。

　　研究人员认为，交替的化学键类型很有趣，因为它们被认为赋予了碳链和碳环以半导体的性质。研究结果表明，长而直的碳链也可能是半导体，Gawel说，这可能使它们在未来成为分子大小的晶体管的有用组件。

　　日本大阪大学化学家Yoshito Tobe说，这是一项“绝对令人震惊的研究工作”，开辟了一个新的研究领域。