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下一个诺贝尔碳奖?历史上第一次,科学家们创造出稳定的碳环。

????碳作为元素周期表和地球上最显着的元素之一,存在于我们生活中已知物质的90%以上。碳可以形成许多不同的结构:当它的每一个原子与另外三个碳原子相连时,它就形成相对柔软的石墨;当它与一个键结合时,它就变成了另一种矿物,钻石,这是目前最坚硬的矿物;当60个碳原子在同一个平面上相连时,它就变成了另一种矿物。一个足球的类人猿,巴基球(即碳)。-60)就是它。

????值得注意的是,至少这些要求每个碳原子与其他三个或更多的碳原子相连。如何简单地将每个碳原子与另外两个碳原子连接起来,就像一个人用右手和左手握住另外两个碳原子一样,形成一个碳环(苯环的结构相似,但周围有氢),这是科学家近50年来一直回避的问题。

????事实上,不是科学家不努力工作,而是这个想法太“狡猾”。在此之前,科学家们已经竭尽所能制造出一个气体环,很快就会消散。

????但就在最近,牛津大学和IBM研究所的一组研究人员创造了一个稳定的碳环,这是一件了不起的事情。这项研究也发表在最新一期的《科学》杂志上。

????这种新的环状碳化合物,研究人员称之为“环状碳”,由18个碳原子组成,从热力学角度来看,这是最稳定和最小的环状碳。目前,它的图像可以通过先进的显微技术来获取。

????图18个碳原子的纯碳环(来源:IBM研究)

????碳环的创新制造方法

????为了完成这项“开创性的工作”,研究人员花费了大量精力,尝试各种方法来完成这一“环碳”的制备。他们首先合成了一个三角形的“环氧环碳”(C24O6),它有18个碳原子,六个一氧化碳(CO)分子均匀分布在三角形的三个角上,即每个角上聚集两个CO分子。

????接下来,他们把混合物放在一个有氯化钠层的铜板上,在真空室中将其冷却到接近绝对零度。因此,它为三角形的“环氧环碳”提供了惰性表面,以保持其结构的稳定性。

????最后,研究人员使用原子力显微镜(AFM)的尖端将一氧化碳分子与C24O6结构分离,只留下一个碳原子环。

????说起来很简单,但实际操作还是很困难的。研究人员说,他们不能保证所有的CO分子都能在不破坏C24O6环结构的情况下被敲除。在某些情况下,它们会被撞击成分子结构,如C22O4和C202(如下所示)。

????图“环碳”和其他可能的分子结构的制备过程(来源:IBM研究)

????研究人员在论文中指出:“从C24O6中去除所有六种CO分子,基本上就可以生产出环分子,生产环碳的成功率约为13%。

????即使成功率不是很高,它也比科学家以前尝试过的各种方法简单,而且已经成功地实现了。

????图环碳结构示意图(来源:IBM研究)

????本文还表明,他们对“环碳”结构的研究结果表明,它是一种半导体,因为“环碳”中的原子形成了一种具有交替三键和单键的“多环结构”,可以产生半导体性。

????这意味着它在电子领域具有潜在的应用前景,“循环碳”本身的高活性意味着它们可以用来制造其他碳和富碳材料的同位素。

????碳材料研究,两项诺贝尔奖

????碳的每一个突破都吸引了科学家的注意。我们从中学就知道碳有两种晶体形式:一种是钻石。如果你不知道的话,一定听说过用它抛光并送给你女朋友的钻石;另一种是石墨。我们也应该知道铅笔不是“铅”,而是石墨。

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????但在1985年,人们发现还有其他形式的碳:由60个碳原子组成的足球结构,巴基球,或碳-60。巴基球体及其富勒烯家族的发现使罗伯特·弗洛伊德·科里、哈罗德·克罗托和理查德·埃瑞特·斯莫利分享了1996年诺贝尔化学奖。

????后来,人们发现了几厘米长、直径约1纳米的碳纳米管。其次,人们熟悉的石墨烯也是一种单层二维纳米材料,由碳原子组成的六角形蜂窝状晶格。

????2010年诺贝尔物理学奖授予曼彻斯特大学的两位物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃塞洛夫,以表彰他们对石墨的贡献。

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发布时间:20:51:15


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责任编辑:陈平

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