Ciclo[18]carbono: nuevo alótropo del carbono con 18 átomos en anillo

Por Francisco R. Villatoro, el 20 agosto, 2019. Categoría(s): Ciencia • Nanotecnología • Nature • Noticias • Química • Science ✎ 8

En el diamante cada átomo de carbono está unido a otros cuatro; en el grafito, grafeno, nanotubos y fullerenos cada carbono está unido a otros tres. Se publica en Science el primer alótropo del carbono en el cada átomo está unido solo a otros dos; así se requiere una alternancia entre enlaces triples y simples formando una estructura anular. El ciclo[18]carbono en el más pequeño de los ciclo[n]carbonos estables predichos por los estudios teóricos. Científicos de IBM y de la Universidad de Oxford lo han sintetizado a partir de una estructura de ciblobutanona por descarbonilación electroquímica. Según los estudios teóricos se trata de un semiconductor que podría tener aplicaciones (aún muy lejanas) en microelectrónica.

Linus Pauling introdujo en 1931 la hibridación química de orbitales atómicos. Así los cuatro electrones de valencia del carbono, que se encuentran en los orbitales 2s, 2px, 2py y 2pz, se pueden hibridar en cuatro orbitales híbridos sp3 idénticos (como en el metano (CH4) o en el diamante), en tres orbitales híbridos sp2 y un orbital π (como en el formaldehído (H2C=O) o en el grafeno), y en dos órbitales híbridos sp y dos orbitales π (como en el anión cianuro (:C≡N:) o en el nuevo ciclo[18]carbono predicho por Hoffmann en 1966). La estabilidad de los ciclo[n]carbonos ha sido un tema polémico, pues depende del modelo teórico y del sustrato usado en la simulación. En el nuevo artículo se ha sintetizado sobre una bicapa de NaCl sobre Cu(111) a 5 kelvin por eliminación sistemática de tres parejas de monóxidos de carbono (2CO) de la molécula C24O6. Lo más fascinante es que todo el proceso se ha visualizado usando un microscopio de fuerza atómica de alta resolución.

Por cierto, el ciclo[18]carbono es estable sobre el sustrato de NaCl, pero no se sabe si lo seguirá siendo tras ser retirado del sustrato (o en otros sustratos usuales en microelectrónica). El artículo es Katharina Kaiser, Lorel M. Scriven, …, Harry L. Anderson, “An sp-hybridized molecular carbon allotrope, cyclo[18]carbon,” Science (15 Aug 2019), doi: 10.1126/science.aay1914, arXiv:1908.05904 [physics.chem-ph] (15 Aug 2019). Muchos medios se han hecho eco de este hito, recomiendo Davide Castelvecchi, “Chemists make first-ever ring of pure carbon. Elusive 18-atom ‘cyclocarbon’ could be a step towards molecule-scale transistors,” Nature (15 Aug 2019), doi: 10.1038/d41586-019-02473-z.

Este vídeo de IBM nos presenta de mano de los propios investigadores el logro alcanzado. Lo más interesante es que están trabajando en la síntesis de otros ciclo[n]carbonos y que su objetivo es estudiar sus posibles aplicaciones en microelectrónica (dado que el ciclo[18]carbono aparenta ser un semiconductor). Por supuesto, para quienes aún seguimos fascinados con las imágenes STM–AFM de moléculas obtenidas por IBM, el asombro tiene un fuerte contenido estético.

Esta figura resume el proceso de síntesis por eliminación una a una de las parejas de CO (recorrido de las flechas en sentido antihorario), o por eliminación simultánea de más de una de estas parejas. Visto de esta manera parece un juego de niños, pero su eliminación usando la punta del microscopio de fuerza atómica no es asunto baladí. Este proceso manual recuerda a la labor de un artista plástico ante una obra de arte.

Sin lugar a dudas estas imágenes AFM de cada una de las moléculas intermedias son espectaculares. Más allá de la gran cantidad de información científica que se puede extraer de ellas aún recuerdo cómo me impactó el artículo de 1990 en Nature donde se manipulaban 35 átomos de xenón sobre un sustrato de níquel para escribir las letras IBM (D. M. Eigler, E. K. Schweizer, “Positioning single atoms with a scanning tunnelling microscope,” Nature 344: 524-526 (05 Apr 1990), doi: 10.1038/344524a0).



8 Comentarios

  1. un trabajo relacionado tambien de Science de hace un par de semanas: https://science.sciencemag.org/content/365/6450/272.editor-summary
    “Topological molecular nanocarbons: All-benzene catenane and trefoil knot”

    Consiguen entralazar dos anillos hechos exclusivamente de Carbono e Hidrogeno y de anudar uno en un nudo de tres hojas (trefoil knot), mediante sintesis quimica de toda la vida.
    La manera mas convencional de sintetizar este tipo de estructuras (anillos entrelazados y nudos) es teniendo atomos que se unan a metales que sirvan como plantillas.

    1. Javier, gracias, pero dicho trabajo llamó menos mi atención porque las imágenes de las moléculas que mostraba eran reconstrucciones por ordenador (como no podía ser de otra forma): https://science.sciencemag.org/content/sci/365/6450/272/F1.large.jpg ; https://science.sciencemag.org/content/sci/365/6450/272/F2.large.jpg ; https://science.sciencemag.org/content/sci/365/6450/272/F3.large.jpg ; https://science.sciencemag.org/content/sci/365/6450/272/F4.large.jpg .

  2. Anónimo, en las imágenes AFM se recorre (escanea) la muestra manteniendo la punta del microscopio a cierta distancia de la superficie; se usa un sistema de control que eleva la punta cuando pasa por encima de la molécula y la baja cuando está sobre la superficie. El resultado depende de la distancia fijada; en las imágenes AFM se muestran los resultados “AFM far” y “AFM close” para una distancia “lejana”, estimada en 0.3 Å, y una “cercana”, estimada en 0.1 Å. Los resultados marcados con “sim. far” y “sim. close” son los resultados de simulaciones por ordenador para la imagen esperada en “AFM far” y “AFM close”.

    Como ilustración, https://francis.naukas.com/files/2019/08/D20190819-science-eaay1914-constant-distance-images-from-supplementary-info.png (figura S14 en la información suplementaria del artículo) muestra las imágenes manteniendo fija la distancia de la punta al sustrato (sin subirla ni bajarla durante el escaneo); en concreto, a 0.1 Å, 0.2 Å, 0.3 Å, y 0.5 Å. Como puedes observar son imágenes con una calidad muy inferior.

  3. Me maravilla que se puedan visualizar y manipular de esta forma átomos y moléculas. Vivimos en el mundo del mañana que soñaban nuestros abuelos y ni nos damos cuenta…

  4. Pensar que cuando era joven, se pensaba que habíamos alcanzado, el limite, con los microscopios de lentes… Sera que me estoy volviendo viejo? Acaso porque vi la llegada del hombre a la luna, en directo? Naaa.. Dejando la nostalgia de lado, queria pedirte una opinion, estoy tratando de simular la trayectoria de una particula en un gas, que es atravezado por dos trenes de ondas, despues de mucho pensar, y equivocarme mas, llegue a una forma que me parece correcta, se trata de ubicar a la particula en el centro de un octogono, calcular la presion del gas en ese punto, y en los ocho vertices, despues simplemente genero un vector para cada par particula/vertice y los sumo al vector original, la simulacion es en 2D, estoy muy errado?. Desde ya gracias.

      1. …Gracias a ti, Marcelo, por ser benévolo con mi intromisión en la pregunta que dirigias a Francis…Mi aportación, una verdadera “simulacíón de respuesta de escaso contenido”.
        Te pido disculpas, espero que por lo menos sirviese para sonreir:-

        1. No… Gracias a ti.. Solo necesitaba eso.. Un “vas bien” o un “vas mal”, es mi primera simulación, encima en un escenario dificil.. Realmente te agradezco.

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