シクロカーボンの作成とイメージング

原子間力顕微鏡（AFM）による分子のイメージングと原子操作による分子の作成におけるこれまでの成功に基づいて、オックスフォード大学とIBM Researchの科学者は、この議論に対する答えを見つけようとしました。私たちの目標は、シクロカーボンを合成、安定化、特性評価することでした。

図1 ：左から右に、前駆体分子C24O6、中間体C22O4とC20O2、および原子操作を使用してCOマスキンググループを分離することによって表面に作成された最終生成物のシクロ[18]カーボンC18。下の行は、Cu単結晶上の2層NaClで得られたCO官能化チップを使用した原子間力顕微鏡（AFM）データを示しています。

最初に、2重に配位した炭素の線形セグメントに焦点を当て、原子間力顕微鏡の先端で電圧パルスを印加して化学反応を引き起こすことにより、原子操作によってこのような炭素に富む材料を作成するための可能なルートを探りました。そのようなセグメントは、食卓塩の非常に薄い層（NaClの二重層）で覆われた銅基板上に形成できることがわかりました。塩層は化学的に非常に不活性であるため、反応性分子は塩層と共有結合を形成しませんでした（Nat。Chem。10、853-858,2018）。

線形炭素セグメントの作成に成功した後、同じ表面にシクロカーボンを作成しようとしました。この目的のために、オックスフォードグループはシクロ[18]炭素の前駆体（図1を参照）、つまり18個の炭素原子の環を合成しました。この炭素酸化物前駆体、C ₂₄ O ₆ は三角形で、18個の炭素原子に加えて、6個の一酸化炭素（CO）基が含まれているため、分子の安定性が向上します。

C ₁₈ の合成 C ₂₄ から O ₆ 30年前に最初に調査されたのは、カリフォルニア大学ロサンゼルス校（J.Am。Chem。Soc。）を拠点とするFrançoisDiederichとYvesRubinです。 1989年、 111 、6870）;現在、原子間力顕微鏡の最近の開発により、製品を原子の詳細で見ることができます。 Lorel Scrivenは、炭素酸化物C ₂₄ を合成しました。 O ₆ 、オックスフォードで、IBM Research –チューリッヒでの最初のAFM実験にIBMチームと一緒に参加しました。

AFMを使用して、薄い塩膜上に調製された前駆体分子を特定しました。 AFMの先端に印加された電圧パルスを使用して、前駆体からCO基のペアを除去することができます。 2つおよび4つのCO基が除去された中間体を特定しました。最終的には、6つのCO基すべてを除去し、シクロ[18]炭素を形成することもできました。

冷たく不活性な表面では、分子は十分に安定しており、調査が容易です。 AFM画像では、9つの明るいローブが円形に配置され、プローブの先端に近づくにつれて九角形の角に移行するのが観察されました。シミュレーションとの比較により、明るいローブと九角形の角がシクロ[18]炭素の三重結合の位置を示していることが確認されました。シクロ[18]炭素のポリイン構造を明らかにしました。つまり、その構造は単結合と三重結合が交互になっている構造であることがわかりました。

原子操作によってシクロカーボンおよび/または環状カーボンオキシドを融合できるという事実によって、将来のアプリケーションが示唆されています。分子を原子操作と融合させることによってより大きな炭素に富む構造を形成するこの可能性は、より洗練された炭素に富む分子と新しい炭素同素体を作成する道を開きます。最終的には、カスタムメイドの分子構造が、単一電子移動に基づく分子エレクトロニクスの要素として使用される可能性があります。

sp -混成分子炭素同素体、シクロ[18]炭素、 Katharina Kaiser、Fabian Schulz、およびLeo Gross（IBM Research –チューリッヒ）; Lorel M. Scriven、Przemyslaw Gawel、およびHarry L. Anderson（オックスフォード大学） 、Science 2019年8月15日、doi / 10.1126 / science.aay1914、https：//arxiv.org/abs/1908.05904