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Investigadores consiguen sintetizar un anillo de 18 átomos de carbono


Una colaboración de investigadores de IBM Research-Zürich y la Universidad de Oxford, sintetizó y caracterizó un anillo de 18 átomos de carbono, por primera vez en la historia.

Según los investigadores, la estructura electrónica de esta nueva forma consiste en enlaces triples alternos y enlaces simples, en lugar de una estructura de tipo cumuleno de enlaces dobles consecutivos. Esto hace de esta molécula un semiconductor.

El carbono
Es uno de los elementos más abundantes en el Universo; capaz de formar muchas formas diferentes (alótropos) debido a su valencia. Las formas bien conocidas incluyen diamante, grafito, carbono amorfo, nanotubos de carbono, fullerenos esféricos y elipsoidales.

"Si bien estas son formas de carbono bien estudiadas, hay formas menos conocidas y una en particular ha sido esquiva: los ciclocarbonos, donde los átomos de carbono tienen solo dos próximos, dispuestos en forma de anillo", dijo la primera autora, la Dra. Katharina Kaiser de IBM Research-Zürich y sus colegas de investigación.

Discutido durante muchos años, la estructura de los ciclocarbonos era desconocida, y se debatieron dos posibilidades, ya sea con todos los enlaces en el anillo de la misma longitud (enlaces dobles únicamente) o con enlaces alternos más cortos y más largos (alternando enlaces simples y triples).

Un ciclo [n] carbono es un compuesto químico que consiste únicamente en un número n de átomos de carbono unidos covalentemente en un anillo. Dado que el compuesto está conformado solo de átomos de carbono, se considera un alótropo de carbono. Los posibles patrones de enlace incluyen todos los enlaces dobles (un cumuleno cíclico) o enlaces simples alternos y enlaces triples (un polino cíclico).

La evidencia de la existencia del ciclocarbono se publicó en la fase gaseosa, pero debido a su alta reactividad, no podían aislarse y caracterizarse, hasta ahora.

El nuevo estudio
El enfoque del equipo era generar ciclocarbono mediante la manipulación de átomos en una superficie inerte a bajas temperaturas, aproximadamente 5 K (menos 450 grados Fahrenheit, o menos 268 grados Celsius), e investigarlo con microscopía de fuerza atómica de alta resolución.

"Inicialmente, nos centramos en segmentos lineales de carbonos coordinados en dos partes, explorando posibles rutas para crear tales materiales ricos en carbono mediante la manipulación de átomos", explicaron los científicos.

"Activamos reacciones químicas aplicando pulsos de voltaje con la punta del microscopio de fuerza atómica".

"Descubrimos que dichos segmentos podrían formarse en un sustrato de cobre cubierto por una capa muy delgada de sal de mesa".

"Debido a que la capa de sal es químicamente muy inerte, las moléculas reactivas no formaron enlaces covalentes en dicha sal".

"Después de la creación exitosa de los segmentos lineales de carbono, intentamos crear ciclocarbono en la misma superficie".

"Con este fin, sintetizamos un precursor de ciclo [18] carbono que es un anillo de 18 átomos de carbono".

El precursor de óxido de carbono, C24O6, tiene una forma triangular y, además de los 18 átomos de carbono, contiene seis grupos de monóxido de carbono (CO), lo que aumenta la estabilidad de la molécula.



¿Como se logró?
"Utilizando el microscopio de fuerza atómica, localizamos las moléculas precursoras, preparadas en la delgada capa de sal", dijeron los investigadores.

“Usando pulsos de voltaje aplicados a la punta del microscopio de fuerza atómica, pudimos eliminar pares de grupos CO del precursor. Identificamos intermedios con dos y cuatro grupos CO eliminados".

Finalmente, el equipo también pudo eliminar los seis grupos CO y formar ciclo [18] carbono.

"Las aplicaciones futuras se sugieren por el hecho de que podríamos fusionar ciclocarbonos y / o carbonóxidos cíclicos mediante la manipulación de átomos", dijeron los autores del estudio.

"Esta posibilidad de formar grandes estructuras ricas en carbono, fusionando moléculas con la manipulación de átomos, abre el camino para crear moléculas ricas en carbono más sofisticadas y nuevos alótropos de carbono".

"Eventualmente, las estructuras moleculares hechas a medida podrían usarse como elementos para la electrónica molecular, en base a la transferencia de un solo electrón".

Crédito de la imagen: Kaiser et al.

Referencia del documento científico:
Katharina Kaiser et al. 2019. Un alótropo de carbono molecular hibridado sp, ciclo [18] carbono. Science, publicado en línea el 15 de agosto de 2019; doi: 10.1126 / science.aay1914

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