Des anneaux d'atomes de carbone : comment des scientifiques ont assemblé une molécule de 88 maillons express
À la surface du sel de table ordinaire, un anneau d'atomes de carbone se forme — tel un bracelet assemblé maillon par maillon. Seulement, ici, les maillons ne sont pas en métal mais en carbone, et ce n'est pas un bijoutier qui les relie, mais la pointe d'un microscope à balayage. Les physiciens ont appris à tresser de tels bracelets comptant jusqu'à 88 atomes et à vérifier comment ils laissent passer l'électricité.
Chaque anneau est une molécule de cyclocarbone. Elle ne possède pas de ramifications latérales, seulement une chaîne fermée d'atomes. Pour assembler un grand anneau, les scientifiques ont d'abord fabriqué de petites ébauches de 20 et 22 atomes, puis les ont soudées ensemble à l'aide de la même pointe microscopique. On a ainsi obtenu des anneaux de 42, 44, 46, 66 et 88 atomes.
La différence entre les anneaux dont le nombre d'atomes est un multiple de quatre (20, 44) et leurs voisins (22, 42) se reproduit à chaque fois, mais elle s'atténue à mesure que la taille augmente. Pour l'anneau de 88 atomes, elle est à peine visible. Cela signifie que les très grands anneaux de carbone perdent leur aromaticité et se comportent comme de simples fils conducteurs.
Ces bracelets moléculaires pourraient devenir la base de fils d'un atome d'épaisseur. Si l'on parvient à les relier en chaînes et à contrôler le courant, on verra apparaître des circuits électroniques assemblés littéralement à partir de molécules individuelles.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais 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.
L'anneau de 20 atomes de carbone est le plus petit de tous ceux qui ont pu être assemblés et mesurés. Son diamètre est inférieur à un nanomètre, soit des dizaines de milliers de fois plus fin qu'un cheveu humain.
Dans la nouvelle de Ted Chiang « Comprendre », le héros crée des structures ultraminces en manipulant les atomes — à peu près de la même manière que l'on assemble des anneaux de carbone dans ce travail.