Podręczniki do aktualizacji? Diament, grafen, grafit, fulereny (a także nanorurki) nie są już jedynymi znanymi odmianami węgla. Zaobserwowano węgiel w kolejnej postaci: to cyklokarbon – atomowej wielkości węglowy pierścień. Odkrycie odnotowane w “Science” jest zasługą m.in. Polaka.
Struktury złożone jedynie z atomów węgla mogą mieć różne właściwości, w zależności od tego, jak atomy tego pierwiastka łączą się ze sobą.

I tak diament (atomy węgla tworzące regularną krystaliczną, trójwymiarową siatkę) to jeden z najtwardszych znanych dotąd materiałów. Jest przezroczysty i nie przewodzi prądu elektrycznego. Grafen za to (jednoatomowej grubości płachta węgla o strukturze plastra miodu) jest niemal przezroczysty, odporny na rozciąganie i świetnie przewodzi elektryczność. Grafit z kolei – znamy go z ołówków (złożony z wielu warstw grafenu) – jest szaroczarny, kruchy, a prąd przewodzi bardzo dobrze. Fulereny zaś (nanopiłki futbolowe z atomów węgla) są ciemne, mogą być nadprzewodnikami lub półprzewodnikami. Niektórzy do odmian węgla zaliczają jeszcze nanorurki (płachty grafenu zwinięte w rurkę), które są niezwykle wytrzymałe.

Teraz do rodziny tzw. odmian alotropowych węgla trzeba dodać kolejnego członka: cyklokarbon.

Czym jest cyklokarbon?

Cyklokarbon ma kształt atomowej grubości pierścienia, w którego skład wchodzą wyłącznie połączone ze sobą atomy węgla. W publikacji w “Science” naukowcy z Uniwersytetu Oxfordzkiego i IBM Research w Zurychu pokazują, jak wyprodukować pierścień złożony z 18 atomów węgla.

“Wiele wskazuje na to, że cyklokarbon będzie miał właściwości półprzewodnika” – zapowiada jeden z odkrywców cyklokarbonu, dr Przemysław Gaweł z Uniwersytetu Oksfordzkiego.

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.

Cyklokarbon udało się na razie uzyskać tylko w ściśle kontrolowanych warunkach: w niskiej temperaturze (ok. -268 stopni Celsjusza). Na razie nie jest pewne, czy związek ten będzie stabilny w wyższych temperaturach oraz kiedy nie będzie izolowany od innych związków zawierających węgiel.

Chemik tłumaczy, że w diamencie każdy atom węgla jest związany z czterema sąsiadującymi atomami węgla, podczas gdy w graficie, grafenie, nanorurkach węglowych czy fulerenach każdy atom węgla jest związany z trzema sąsiadami.

“Dotąd pozostawała nieodkryta odmiana węgla, w której każdy atom tego pierwiastka łączy się tylko z dwoma innymi atomami węgla” – mówi.

Wyjaśnia, 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).

“A ja od czterech lat w swoich badaniach próbowałem uzyskać eksperymentalnie cyklokarbon – atomowej grubości węglowy pierścień” – mówi dr Gaweł, jeden z najważniejszych autorów publikacji w “Science”. Te badania – jak pokazuje publikacja w “Science” – zostały zwieńczone sukcesem.

Dr Gaweł komentuje, że zastosowana w badaniach możliwość tworzenia większych struktur bogatych w węgiel – poprzez łączenie cząsteczek za pomocą manipulacji atomowej – otwiera drogę do tworzenia bardziej wyrafinowanych cząsteczek bogatych w węgiel i nowych odmian alotropowych węgla.

Ludwika Tomala