常見於星際物質,中研院領先全球合成穩定的雙原子碳分子

作者 | 發布日期 2020 年 12 月 28 日 14:07 | 分類 尖端科技 , 材料、設備 Telegram share ! follow us in feedly


雙原子碳(Free C2)是高溫下一種碳單質雙原子分子形式,在自然界中較不穩定,一般僅能在藍色火焰、彗星或星際物質中觀察到它的存在。不過最近,由中研院化學研究所王朝諺研究員領導的團隊領先全球、成功合成出穩定的雙原子碳分子,有望發展石墨烯、矽、鍺等半導體材料技術。

如果對雙原子碳比較不熟,那自然界中較穩定存在的雙原子分子你一定聽過:氧氣(O2)及氮氣(N2)。和這些穩定的雙原子分子比起來,科學家較無法掌握雙原子碳的化學與物理性質,只知這種分子可從彗星或星際物質中找到,比如彗星發出綠光就是上面的雙原子碳受到激發。

過去,科學家曾靠理論模擬雙原子碳的結構,也曾使用過 2 個以上的配位基來穩定雙原子碳,團隊解釋,配位基(ligand)就像原子的衣服,可和中心原子(金屬或類金屬)產生鍵結的原子、分子或離子,使不穩定的分子現形。而配位基越少、分子的性質就越簡單,後續應用也更能排除其他突發因素,為了穩定中心原子,科學家通常需要替它們量身打造衣服。

王朝諺指出,過去研究幫雙原子碳穿的「衣服」較多件,這也讓合成出來的分子之化學和物理性質相對複雜。這一次,團隊成功合成出穩定的單配位基(ligand,註)雙原子碳分子「R3P→C2」,讓雙原子碳變得相當簡單。

此外,研究團隊也分析了新分子 R3P→C2 的結構,採用先進能量分解分析(Energy Decomposition Analysis,EDA)計算技術深入探討其結構特性,解開化學界一直以來各自表述雙原子碳化合物以及雙原子碳性質的認知差異,比如價鍵理論認為形成雙原子碳分子的唯一途徑是形成碳碳四鍵。

實驗證實,R3P→C2 在 C2 部分的 2 個碳原子皆有意想不到的反應活性,這項發現有助發展碳、矽、鍺等碳族之新型態化學反應,並應用於催化反應。

未來,此分子也可延伸發展新型化學品或石墨烯、矽、鍺等相關半導體材料開發。新論文發表在《自然-化學》(Nature Chemistry)期刊。

註:單配位基是指僅一處與中心原子結合的原子、分子或離子。

(首圖來源:中研院提供)