Med et spesiallaget nanoverktøy har forskere klart å lage verdens første ring av bare karbonatomer. De måtte bruke et atomkraftmikroskop for å avbilde den bittelille ringen. (Illustrasjon basert på mikroskopbildet: IBM Research)
Med et spesiallaget nanoverktøy har forskere klart å lage verdens første ring av bare karbonatomer. De måtte bruke et atomkraftmikroskop for å avbilde den bittelille ringen. (Illustrasjon basert på mikroskopbildet: IBM Research)

Denne mikroskopiske ringen gir svaret på et 50 år gammelt mysterium

Verdens første ring av karbonatomer har blitt laget på laboratoriet. Det kan være første skritt mot kraftigere elektronikk.

Publisert

Samtidig har et 50 år gammelt mysterium fått en løsning. For blant kjemikere har det vært uenighet om hvordan en ring av karbonatomer faktisk vil se ut – og om en slik mikroskopisk ring i det hele tatt er mulig å lage.

− Fram til nå har vi visst veldig lite om disse rene karbonringene. Man har sett spor av dem, tenkt at de har eksistert, og så er det først nå noen har klart å isolere dem og klart å gjøre noe med dem, sier Gerhard Olsen. Han har doktorgrad i materialteknologi og underviser i nanoteknologi ved NTNU.

Den mystiske lille ringen, som ble laget ved et IBM-laboratorium i Sveits, består av 18 karbonatomer.

Atomene står på rekke og rad − bundet sammen i en ring. Og måten de er bundet sammen på, gjør at ringene kan egne seg til å lage elektronikk i bitteliten skala, skriver forskerne bak studien i artikkelen i tidsskriftet Science.

Store teknologisk hinder

Karbonringen føyer seg inn i en rekke av rene karbonforbindelser som diamanter, nanorør av karbon og det syltynne materialet grafén. Felles for disse materialene er at karbonatomene er organisert helt symmetrisk i forhold til hverandre.

Det mest lovende med den nye ringen er at det er ett skritt på vei til et annet type karbonmateriale, mener Ida Marie Eriksdatter Høiaas, som forsker på bruken av grafén i LED-lys både ved NTNU og i bedriften Crayonano.

En ring er nemlig første steg mot å lage syltynne karbontråder − enkeltatomer av karbon som henger sammen i en lang rekke. En slik karbontråd kan nemlig brukes til å lage kraftigere elektronikk som bruker mindre strøm – sammenlignet med det vi bruker i dag.

− Hvis du bruker en tråd med enkeltatomer i en krets, vil det ta mindre plass på en chip enn hvis du bruker en ledning, sier Høiaas.

Men det er ikke sikkert det vil fungere. Enn så lenge vet forskerne ingenting om hvilke elektroniske egenskaper disse ørsmå molekylene har – hverken karbonringer eller karbontråder.

− Det er noen ganske store teknologiske hinder du må overkomme for at det skal kunne brukes inni en dings, sier Høiaas.

Imponert over metoden

Olsen på sin side mener det mest interessante med studien er at det i det hele tatt er mulig å lage denne karbonringen.

− Forskerne kan gå inn med et menneskeskapt verktøy og endre på strukturen i et enkeltmolekyl. Det er jo ganske fantastisk og gir en påminnelse på hvor langt vi har kommet innen nanomanipulering. Da er det, i hvert fall for meg, lett å tenke at det kommer til å skje store ting de neste årene.

For å lage ringen, fikk IBM-forskerne hjelp av forskere ved Oxford University. De klarte nemlig å lage et lite molekyl som lignet på ønskeringen. Dette nesten-ringformede-molekylet hadde også oksygen i seg. Det gjør det mer stabilt enn den rene karbonringen.

Og så tok forskerne ved IBM over.

− De bruker et spesielt nanoverktøy for å fjerne litt karbon og alt oksygenet og står igjen med en ren karbonring til slutt, forklarer Olsen.

Vil ikke klare seg i den virkelige verden

Ringen ble laget i vakuum på en seng av bordsalt i ekstremt lave temperaturer. Inntil videre er ikke ringen stabil utenfor laboratoriet.

Høiaas minner om at det har blitt laget mange lovende materialer på laboratoriet som ikke har fungert like godt ute i den virkelige verden, inkludert grafén som hun selv jobber med.

− Grunnen til at grafén ble så lovprist i utgangspunktet er at det har såpass gode egenskaper, både mekanisk og elektronisk. Men det har vist seg at det er vanskelig å bruke det i applikasjoner.

Grafén er bare ett atomlag tykt, som et syltynt ark hvor elektronene kan fare rundt. Det gjør dette rene karbonmaterialet til et gjennomsiktig, utrolig sterkt materiale som egner seg i elektronikk.

Men det har ikke vært like rett frem å bruke dette syltynne stoffet som mange spådde − hverken for forskerne i Trondheim eller i resten av verden.

Derfor er Høiaas varsom med å spå noe nytteverdi av den nye mikroskopiske karbonringen, som i motsetning til grafén hverken tåler romtemperatur eller å komme i kontakt med andre stoffer.

Uenighet blant kjemikerne

Et av de store mysteriene for kjemikere de siste 50 årene har vært hvordan atomene i en ren karbonring ville være bundet sammen. Forskergrupper rundt om i verden har prøvd å regne seg frem til det, men har kommet frem til forskjellige svar.

Og det er hvordan de negativt ladede elektronene fordeler seg rundt karbonatomene som har vært det store spørsmålet. For det er elektronene som lager bindingene mellom hvert karbonatom i ringen.

Gerhard Olsen, som selv har jobbet med slike beregninger i andre materialer, synes det er spennende å se hvilke forskere som fikk rett.

− Kjemien er voldsomt enkel, det er bare karbon i molekylet, men det viser seg likevel at du får helt forskjellige resultater avhengig av hvilken beregningsmetode du bruker. Og da er det ikke nødvendigvis sånn at jo mer avansert metode du bruker, jo mer riktig blir det.

− En veldig givende opplevelse

Nå kan forskerne fra IBM og Oxford University gi et endelig svar på gåten: De negativt ladede elektronene er ujevnt fordelt rundt karbonatomkjernene i ringen.

For de innvidde vil det si at elektronene i hvert karbonatom lager en såkalt trippelbinding til det ene naboatomet og en enkeltbinding til den andre naboen.

Forskerne bak studien skriver at denne ujevne fordelingen av elektronene i karbonringen gjør at den vil fungere som en halvleder i elektronikk.

Men mest av alt er de stolte av å ha klart å lage den etterlengtede ringen i en så stabil form at de fikk foreviget den.

− Å se det første bildet av karbon-18-ringen og all kjemien jeg hadde jobbet med i månedsvis komme sammen var en veldig givende opplevelse, uttalte en av forskerne bak studien, Lorel Scriven, til nettavisen Gizmodo.

Referanse

K. Kaiser med flere: An sp-hybridized molecular carbon allotrope, cyclo[18]carbon, Science august 2019, DOI: 10.1126/science.aay1914