Cyclocarbone : une nouvelle forme de carbone synthétisée
DDepuis les années 1960, les chimistes tentent de synthétiser une molécule en forme d’anneau fait de carbone pur. Dans le cadre d’un exploit du domaine de la microscopie à sonde locale, des chercheurs de l’IBM Research Zurich et de l’université d’Oxford y sont parvenus en liant un anneau de carbone de 18 atomes, un cyclocarbone. Beaucoup ont essayé de fabriquer des cyclocarbones, mais en vain, jusqu’à présent.
Image d’entête : une représentation artistique tridimensionnelle du cyclo[18]carbone, un anneau de 18 molécules de carbone. (IBM Research)
La liaison peut faire la différence entre le graphite friable et le diamant presque indestructible. Les deux sont faits de carbone, mais le premier a du carbone lié à trois autres atomes de carbone dans un réseau hexagonal tandis que le second a du carbone lié à quatre autres atomes dans un modèle pyramidal.
Un modèle de la structure moléculaire du cyclo[18]carbone. (IBM Research)
Il y a plusieurs décennies, des scientifiques, dont le chimiste Roald Hoffmann, lauréat du prix Nobel, ont publié des travaux qui ont théoriquement démontré que le carbone peut former des liens avec seulement deux atomes proches. Chaque atome pourrait former soit une double liaison de chaque côté, soit une triple liaison d’un côté et une simple liaison de l’autre.
Le problème est qu’une molécule de cyclocarbone est chimiquement très réactive et donc moins stable que le graphite ou le diamant.
Dans leur nouvelle étude, des chercheurs dirigés par Przemyslaw Gawel de l’université d’Oxford ont d’abord fabriqué des molécules qui comprenaient des chaînes de quatre carrés de carbone avec des atomes d’oxygène fixés à ces carrés.
Chez IBM Research à Zurich, les molécules d’oxygène-carbone ont été exposées à une couche de chlorure de sodium dans une chambre à vide élevé. L’oxygène en trop était retiré progressivement à l’aide d’un microscope à force atomique.
Beaucoup de tentatives échouèrent plus tard, les chercheurs avaient un scan micrographique dans la main montrant une structure de 18 atomes de carbone. L’analyse a révélé que les anneaux de carbone avaient une triple liaison alternée et une liaison simple, tout comme la théorie l’avait prédit, ou du moins l’une d’elles. Auparavant, une théorie concurrente suggérait qu’une molécule de cyclocarbone serait entièrement constituée de doubles liaisons.
(IBM Research)
Les types de liaisons alternées suggèrent que les anneaux C-18 ont des propriétés semi-conductrices, ce qui pourrait les rendre utiles comme composants de transistors de taille moléculaire.
Il s’agit toutefois d’une recherche très fondamentale. Les scientifiques doivent actuellement fabriquer les anneaux une molécule à la fois, de sorte qu’il faudra peut-être attendre un certain temps avant de pouvoir trouver une utilisation pratique pour les cyclocarbones.
Selon les conclusions des chercheurs :
La grande réactivité du cyclocarbone et des oxydes de cyclocarbone permet d’induire un couplage covalent entre les molécules par manipulation atomique, ouvrant la voie à la synthèse d’autres allotropes de carbone et de matériaux riches en carbone à partir de la coalescence des molécules de cyclocarbone.
L’étude publiée dans Science : An sp-hybridized molecular carbon allotrope, cyclo[18]carbon et présentée sur le site de l’IBM Research Blog : Making and Imaging Cyclocarbon.