За допомогою системи з атомно-силового і скануючого тунельного мікроскопів група хіміків зі Швейцарії та Великобританії синтезувала і описала циклічну молекулу однієї з аллотропних модифікацій вуглецю - карбіну з 18 атомів вуглецю в конденсованій фазі. Виявилося, що зв'язки в атомах не подвійні, як передбачали деякі теоретичні розрахунки, а чергуються потрійні з одинарними. Дослідження опубліковано в.
Графен, вуглецеві нанотрубки, фулерени - все це аллотропні модифікації вуглецю, які складаються з трикоординаційних атомів (з трьома сусідами). У 1960-х роках в лабораторії високомолекулярних сполук ІНЕОС вдалося синтезувати поліїни - ланцюжки, в яких кожен вуглець з'єднаний лише з двома сусідніми атомами. Трохи менше ніж через 30 років вчені довели існування циклічних поліїнів, після чого кільця досліджували й інші групи, але тільки в газовій фазі. У конденсованому стані ці високо реакційноздатні зразки до сьогоднішнього дня не вдавалося вивчити.
Важливе питання про те, чи є зв'язки в таких кільцях чергуванням потрійної і одинарної, чи всі атоми вуглецю пов'язані кумульованими подвійними зв'язками, так і не вирішилося. Різні методи квантових розрахунків передбачали різні результати, і жоден з експериментів у газовій фазі не призвів до висновків про структуру зв'язків у цих молекулах.
Катаріна Кайзер (Katharina Kaiser) і її колеги з Дослідницького відділу IBM в Цюріху і Оксфордського університету синтезували кільцеві молекули С18 з окисленого прекурсора на інертній поверхні при низькій температурі і охарактеризували їх структуру.
Хіміки конденсували окислений циклічний поліїн з кремнієвої платівки на охолоджену до десяти кельвінів мідну поверхню Cu (111) з невеликими двошаровими острівцями кристалів хлориду натрію, які забезпечували інертну і стабільну для радикалів і поліїнів поверхню. За допомогою системи зі скануючого тунельного і атомно-силового мікроскопів при температурі п'ять кельвінів автори впливали на молекули прекурсора електричним розрядом і вивчали структуру отриманих молекул. Для більшої точності візуалізації, автори роботи «посадили» на кінчик зонда атомно-силового мікроскопа молекулу СО.
Під дією електричних імпульсів від молекул прекурсора складом С24О6 відщепилося шість молекул чадного газу, і між сусідніми атомами вуглецю в кільці утворювався третій зв'язок. Вихід продукту, за статистичними розрахунками авторів, склав 13 відсотків.
Дослідникам вдалося детально «розглянути» молекулу і побачити різницю в довжинах зв'язків між атомами вуглецю в кільці. Це свідчить про наявність трійних зв'язків з одинарними, як передбачали теоретичні розрахунки методами Хартрі-Фока, пов'язаних кластерів і Монте-Карло.
Як стверджують автори роботи, завдяки своїй високій реакційній здатності, отримані молекули та їхні окислені попередники можуть стати в нагоді в синтезі методом маніпуляції атомів, прикладів якого зараз не так багато.
Три роки тому вченим вдалося виростити карбиновий ланцюг довжиною в шість тисяч атомів за допомогою вуглецевих нанотрубок. Про деякі інші незвичайні аллотропні модифікації вуглецю та інтерв'ю з ученим Уральського федерального університету Анатолієм Зацепіним можна прочитати в нашому матеріалі «Сім обличий вуглецю».