Anillos de átomos de carbono: cómo los científicos ensamblaron una molécula de 88 eslabones exprés
Sobre la superficie de la sal de mesa común crece un anillo de átomos de carbono, como una pulsera ensamblada eslabón por eslabón. Solo que aquí los eslabones no son metálicos, sino de carbono, y no los une un joyero, sino la punta de un microscopio de barrido. Los físicos han aprendido a tejer estas pulseras de hasta 88 átomos y a comprobar cómo conducen la electricidad.
Cada anillo es una molécula de ciclocarbono. No tiene ramas laterales, solo una cadena cerrada de átomos. Para ensamblar un anillo grande, los científicos primero preparaban piezas pequeñas de 20 y 22 átomos, y luego las unían con la misma punta microscópica. Así obtenían anillos de 42, 44, 46, 66 y 88 átomos.
La diferencia entre anillos con número de átomos múltiplo de cuatro (20, 44) y sus vecinos (22, 42) se repite cada vez, pero se vuelve más débil a medida que crece el tamaño. En el anillo de 88 átomos ya casi no se aprecia. Esto significa que los anillos de carbono muy grandes pierden la aromaticidad y se comportan como hilos conductores ordinarios.
Estas pulseras moleculares podrían convertirse en la base de cables de un solo átomo de grosor. Si se aprende a unirlas en cadenas y a controlar la corriente, aparecerán circuitos electrónicos ensamblados literalmente a partir de moléculas individuales.
Resumen original
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2603.02040
Molecular rings of N carbon atoms, that is, cyclo[N]carbons, or C$$_N$$, can be formed by tip-induced chemistry [1-7]. Because of their monocyclic geometry, cyclocarbons are fundamentally important for testing theoretical models of aromaticity [8-11]. Here, we synthesized large cyclo[N]carbons, with N up to 88, by tip-induced chemistry on a NaCl surface and studied their aromaticity by measuring their transport gaps by scanning tunnelling spectroscopy. We first generated C$$_{20}$$ and C$$_{22}$$, and then fused multiple cyclocarbons [5-7] by means of atom manipulation, obtaining C$$_{42}$$, C$$_{44}$$, C$$_{46}$$, C$$_{66}$$ and C$$_{88}$$. In agreement with predictions obtained using a finely tuned density functional [12-15] and large active space approximate configuration interaction calculations executed on quantum hardware [16, 17], we observe a substantially smaller transport gap for C$$_{20}$$ (N = 4n) compared to C$$_{22}$$ (4n+2), and for C$$_{44}$$ (4n) relative to C$$_{42}$$ (4n+2). In larger cyclocarbons, the oscillation of the transport gap between anti-aromatic N = 4n and aromatic N = 4n+2 cyclocarbons becomes smaller, and is expected to eventually vanish with increasing N, indicating non-aromaticity. Our experimental results show that aromaticity persists at N = 42, and theory predicts ring currents comparable in magnitude to that of benzene in cyclocarbons of this size. In the future, such large cyclocarbons could be used to study conductance, quantum interference, and the effects of aromaticity in single atomic carbon wires and circuits.
El anillo de 20 átomos de carbono es el más pequeño de todos los que se han logrado ensamblar y medir. Su diámetro es menor de un nanómetro, decenas de miles de veces más fino que un cabello humano.
En el relato de Ted Chiang «Entendiendo», el protagonista crea estructuras ultrafinas manipulando átomos, de manera similar a como en este trabajo se ensamblan anillos de carbono.