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重大突破!科学家首次合成纯碳环形分子 登上自然杂志封面

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 olivia chan • 2019-08-17 16:50:37 来源:前瞻网 E4938G2

今天,《自然》(Nature)杂志今天刊登了一项重大科学突破:牛津大学的化学家和 IBM 的团队一起,首次制造出了由 18 个碳原子组成的环形纯碳分子,而这在过去“几乎难以成功”,曾有无数团队尝试后放弃了。

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化学家们从一个由碳和氧组成的三角形分子开始,他们用电流操纵这个分子来制造碳-18环。对这种被称为环碳的分子性质的初步研究表明,它具有半导体的功能,可以使类似的直链碳链用作分子级电子元件。

日本大阪大学的化学家Yoshito Tobe说“这是一项“绝对令人惊叹的工作”,开辟了一个新的研究领域。许多科学家,包括我自己,都试图捕获环碳氢化合物(cyclocarbons)并确定它们的分子结构,但是徒劳无功,”

纯碳有几种不同的形式,包括钻石、石墨和“纳米管”。元素的原子可以与自身形成各种构型的化学键:例如,每个原子可以与四个相邻的原子以金字塔形状结合,就像钻石一样;或者与三个碳原子相邻,比如构成单原子厚度石墨烯薄片的六角形图案。

而碳原子排列方式的不同则会使得物质之间产生天壤之别。金刚石和石墨都是完全由碳组成的,然而,由于这两种材料中碳原子的空间排列是不同的,这也使它们成为碳的同素异形体。金刚石和石墨在性质上的巨大差异也是源于他们不同的晶体结构。

但是碳分子也可以由相邻的两个原子组成,这样就形成一个环装结构。以前已有不同的团队尝试过这种合成环。

不过,英国牛津大学的化学家Przemyslaw Gawel说,由于这种结构比石墨烯或金刚石具有更强的化学反应性,它的稳定性较差,尤其是在弯曲时。合成稳定的链和环通常需要包含碳以外的元素。一些实验已经暗示在气体云中会产生全碳环,但他们还没有找到确凿的证据。

而Gawel和他的合作者们则提出了一种新的方法,目前,在一定的前提条件下(基材表面保持冷却,大约零下 450 华氏度),新的碳分子可以保持稳定,纯碳环便产生了。

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(图片来源:《Nature》杂志)

这可能对芯片行业有重大影响。

由于现在比拇指还小的芯片上就能容纳上亿个晶体管,但集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔两年便会增加一倍。因此当晶体管越做越小时,摩尔定律也开始受到挑战,会遇到各种各样的问题,如制造工艺、功耗,甚至包含漏电。

芯片行业目前遇到的瓶颈,已经触及材料的物理极限,要突破瓶颈很可能需要借助新材料的发展。如果能制造出分子级的晶体管,电子行业进入分子电子学时代,摩尔定律将再次显现威力。

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