18個原子組成‘環碳’雖然難以捉摸，但卻可能是邁向分子級晶體管的重要一步。
在大多數化學家放棄嘗試很久之后，終于有研究團隊合成出了第一個由18個原子組成的環狀純碳分子。
由原子力顯微鏡拍攝的碳-18分子的三維圖像。
來源：IBM Research
化學家先合成了一個由碳和氧組成的三角形分子，然后通過施加電流進行操縱，得到了這個碳-18環。這種分子也被稱為環碳，對其性質的初步研究表明，它具有半導體性質，這也意味著與它類似的碳直鏈可以作為分子級電子元件。
日本大阪大學化學家戶部義人（Yoshito Tobe）認為這是“一項非常驚艷的研究工作”，開辟了一個全新的研究領域。他說：“許多科學家，包括我自己，都曾嘗試制造環碳并確定它們的分子結構，但都沒有成功。”這項研究結果已于8月15日發表在《科學》[1]上。
來源：參考文獻1
純碳有幾種不同的形式，如金剛石、石墨和“納米管”。碳元素的原子可以與自身形成各種構型的化學鍵。每個原子如果以金字塔構型與4個相鄰原子結合，就會得到類似金剛石的結構；如果與3個相鄰原子結合，就會得到單原子厚度石墨烯層的六邊形結構。（在塊狀石墨、碳納米管和被稱為富勒烯的球狀分子中也發現了這種三鍵結構。）
除此之外，碳也可以只和附近的兩個原子成鍵。諾貝爾獎得主、康奈爾大學化學家Roald Hoffmann等人很早就提出理論，認為這會形成純碳原子鏈。也就是說，每個原子可以在兩邊各形成一個雙鍵——即相鄰的原子共用兩個電子；也可以在一邊形成一個三鍵，另一邊形成一個單鍵。多個研究團隊已經嘗試基于這種構型合成環或鏈。
但是，英國牛津大學化學家Przemyslaw Gawel說，由于這種結構比石墨烯或金剛石具有更強的化學反應活性，導致其穩定性較差，尤其是在彎曲時。合成穩定的鏈和環通常需要加入碳以外的元素。一些實驗已經發現可以在氣體云中產生全碳環，但還沒有得到有力的證據。
險象“環”生
現在，Gawel和合作者成功合成了這個科學家期盼已久的環狀分子碳-18，并對其進行了成像。通過使用標準的“濕”化學方法，他的合作者、牛津大學化學家Lorel Scriven首先合成了一種包含4個碳的正方形的環狀分子，這些正方形上連接有氧原子。隨后，研究團隊將他們的樣品送到位于瑞士蘇黎世的IBM實驗室。合作者將這種氧-碳分子置于單層氯化鈉上，并放在高真空室內部。他們利用電流（借助能同時作為掃描隧道顯微鏡的原子力顯微鏡）進行逐環操作，去除多余的含氧結構。經過一次又一次的嘗試，顯微掃描中終于出現了18個碳原子的結構。Scriven說：“我從沒想過會看到這個。”
從IBM研究人員展示的圖來看，這個18碳環是三鍵和單鍵的交替結構。此前理論研究對于碳-18究竟是這種結構還是完全由雙鍵組成的結構一直存在分歧。
這種交替的化學鍵很有趣，因為這種結構會讓碳鏈和碳環具有半導體特性。Gawel認為研究結果說明，較長筆直的碳鏈可能也是半導體，并有望成為分子級晶體管的組成元件。
現在，研究人員想要搞清楚碳-18的基本性質，但他們只能一次制造一個分子。下一步，他們計劃嘗試其他可以提高產量的技術。Gawel說：“目前還處在非常基礎的階段。”
Hoffmann稱贊道，“這項工作做得非常漂亮。”不過他也表示，碳-18在脫離鹽表面后是否穩定，以及是否存在比一次一個分子更高效的合成方式，仍有待進一步研究。
參考文獻：
1.Kaiser, K. et al. Science https://doi.org/10.1126/science.aay1914 (2019).