Zespół naukowców wytworzył i zobrazował nową formę węgla. Cyklokarbon, bo o nim mowa, to atomowej grubości pierścień składający się z 18 atomów węgla. W badaniach nad wytworzeniem nowej odmiany węgla brał udział Polak - dr Przemysław Gaweł z Uniwersytetu Oksfordzkiego.

Węgiel może być ułożony w wielu konfiguracjach. Kiedy każdy z jego atomów jest związany z trzema innymi atomami węgla, jest to grafit, ten sam, który znamy z ołówków. Gdy dodamy jeszcze jedno wiązanie stanie się jednym z najtwardszych znanych minerałów na Ziemi - diamentem.

Obok wspomnianych powyżej struktur istnieją też inne odmiany alotropowe węgla. Grafen - jednoatomowej grubości płachta węgla o strukturze plastra miodu. Materiał ten jest niemal przezroczysty, odporny na rozciąganie i dobrze przewodzi elektryczność. Z olei fulereny składające się z parzystej liczby atomów węgla tworzą sferę i mogą być nadprzewodnikami lub półprzewodnikami. Niektórzy do odmian węgla zaliczają jeszcze nanorurki – niezwykle wytrzymałe płachty grafenu zwinięte w rurkę.

 Dzięki badaniom naukowców z Oxford University i IBM Research możemy do wyżej wymienionych dodać kolejną odmianę węgla – cyklokarbon. Jego opis oraz sposób wytworzenia pojawił się na łamach pisma „Science”.

Cyklokarbon składa się z 18 atomów węgla i ma kształt pierścienia. Każdy atom węgla łączy się jedynie z dwoma sąsiadującymi atomami. Badacze od lat próbowali uzyskać taką strukturę. Najlepsze próby doprowadziły do ​​powstania gazowego pierścienia węglowego, który jednak szybko się rozproszył.

Badania nad strukturą cyklokarbonu sugerują, że działa ona jak półprzewodnik, co oznacza, że ​​ma potencjalne zastosowanie w elektronice. To dobra wiadomość, bo poszukiwania nowych półprzewodników działających w nanoskali są w centrum zainteresowania wielu naukowców. Dzięki takim materiałom możliwe byłoby stworzenie choćby atomowej wielkości bramek logicznych czy tranzystorów. A dzięki temu - dalsze postępy w zakresie miniaturyzacji urządzeń elektronicznych. Jego właściwości będzie można także wykorzystać do tworzenia innych odmian alotropowych węglowa.

Chemicy od dawna sądzili, że powinno być możliwe stworzenie struktury węgla w kształcie pierścienia. Ale do tej pory nikt nie wiedział, jakie będą jej właściwości. - To naprawdę niesamowite, że wytworzyliśmy cykolokarbon i absolutnie wspaniałe, że mogliśmy go scharakteryzować - powiedziała Katharina Kaiser z IBM Research w Zurychu.

Naukowcy swoje prace zaczęli od zsyntetyzowania prekursora cyklo[18]węgla, czyli pierścienia o 18 atomach węgla. Ten prekursor, C24O6, ma kształt trójkąta i oprócz 18 atomów węgla zawiera sześć grup tlenku węgla. Usunięcie tlenku węgla w celu stworzenia pożądanej nowej formy węgla nie było łatwym zadaniem - grupy te pomagają ustabilizować cząsteczkę. Jednak za pomocą impulsów elektrycznych przykładanych do końcówki mikroskopu sił atomowych naukowcom udało się oderwać zewnętrzny tlenek węgla.

W wyniku tej procedury uzyskano odsłonięty pierścień węgla, który został sfotografowany pod mikroskopem sił atomowych. Na zdjęciach widać pojedyncze atomy, a nawet wiązania między nimi.

Cyklokarbon łatwo reaguje z innymi substancjami, więc aby go wyodrębnić, zespół stworzył nową cząsteczkę węgla na obojętnej powierzchni soli kuchennej. - Na zimnej, obojętnej powierzchni - cienkiej warstwie soli kuchennej - cząsteczki są wystarczająco stabilne, aby umożliwić ich badanie – powiedział w rozmowie z PAP jeden z odkrywców cyklokarbonu, dr Przemysław Gaweł z Uniwersytetu Oksfordzkiego.

Cyklokarbon udało się na razie uzyskać tylko w ściśle kontrolowanych warunkach przy bardzo niskiej temperaturze pięciu kelwinów, czyli ok. minus 268 stopniach Celsjusza. Nie jest pewne, czy związek ten będzie stabilny w wyższych temperaturach. Nie wiadomo także, czy zachowa stabilność, gdy nie będzie izolowany od innych związków zawierających węgiel.

- Dotąd pozostawała nieodkryta odmiana węgla, w której każdy atom tego pierwiastka łączy się tylko z dwoma innymi atomami węgla – powiedział Gaweł. Wyjaśnił, że taka odmiana może mieć dwie postacie: jedną z nich jest polimer - tzw. karbyn (carbyne) - łańcuch złożony z samych atomów węgla. Karbyn jest jednak na tyle niestabilny, że nie udało się go jeszcze wyizolować (wyprodukowano go jedynie we wnętrzu nanorurki).

Co ciekawe, atomy w cyklobarbonie utworzyły naprzemienne wiązania potrójne i pojedyncze. Od tego, jak wyglądają wiązania miedzy atomami, zależą właściwości materiału. Gdyby w pierścieniu byłyby same wiązania podwójne, byłby on - jak przypuszczano - metalicznym przewodnikiem. Natomiast wiązania na przemian pojedyncze i potrójne sugerują, że prawdopodobnie cyklokarbon jest półprzewodnikiem. Dr Gaweł tłumaczy, że to dobra wiadomość, bo półprzewodniki - jeśli chodzi o potencjalne zastosowania - są teraz ciekawszymi strukturami niż przewodniki.