Кольца из атомов углерода: как учёные собрали молекулу из 88 звеньев экспресс
На поверхности обычной поваренной соли вырастает кольцо из атомов углерода — как браслет, собранный звено за звеном. Только звенья здесь не металлические, а углеродные, и соединяет их не ювелир, а остриё сканирующего микроскопа. Физики научились плести такие браслеты длиной до 88 атомов и проверять, как они пропускают электричество.
Каждое кольцо — это молекула циклоуглерода. У неё нет боковых ветвей, только замкнутая цепочка атомов. Чтобы собрать большое кольцо, учёные сначала делали маленькие заготовки из 20 и 22 атомов, а потом сращивали их вместе тем же микроскопическим остриём. Получались кольца из 42, 44, 46, 66 и 88 атомов.
Разница между кольцами с числом атомов, кратным четырём (20, 44), и их соседями (22, 42) повторяется каждый раз, но с ростом размера становится всё слабее. У кольца из 88 атомов её уже почти не видно. Это значит, что очень большие углеродные кольца теряют ароматичность и ведут себя как обычные проводящие нити.
Такие молекулярные браслеты могут стать основой для проводов толщиной в один атом. Если научиться соединять их в цепочки и управлять током, появятся электронные схемы, собранные буквально из отдельных молекул.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском 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.
Кольцо из 20 атомов углерода — самое маленькое из всех, что удалось собрать и измерить. Его диаметр меньше нанометра, это в десятки тысяч раз тоньше человеческого волоса.
В рассказе Теда Чана «Понимание» герой создаёт сверхтонкие структуры, манипулируя атомами, — примерно так же, как в этой работе собирают углеродные кольца.