과학자들이 최초로 고리 모양의 순수한 탄소 분자 사이클로 카본(cyclocarbon)을 합성했다.

영국 옥스퍼드대(University of Oxford)연구팀과 스위스 취리히(Zürich) IBM리서치(IBM Research)는 탄소와 산소의 삼각 분자(C24O6)를 전류 조작으로 18개 탄소원자 고리를 만들었다.

연구팀에 따르면, 이 탄소 사슬은 미래에 분자규모 반도체 소재 후보가 될 수 있다.

연구 결과는 과학저널 사이언즈(Science)에 8월 15일(현지시각) 게재됐다.

탄소는 다양한 형태를 취할 수 있으며 우주 전체에 널리 퍼져있다. 가장 알려진 유형은 흑연, 다이아몬드, 비정질 탄소, 구형, 타원 풀러렌(ellipsoidal fullerenes) 및 탄소나노튜브다.

사이클로 카본은 두 개의 이웃한 고리 모양을 가진다. 구조를 실현할 수 있는 두 가지 옵션에 대해 토론 후 연구원들은 가스 단계에서 증거를 얻었다.

시클로카본은 반응성이 높기 때문에 분리 할 수 없었다. 연구원들은 저온에서 사이클로 카본을 생성하기 위해 원자를 조작했다. 원자력 현미경(atomic force microscopy)의 도움으로 온도 화씨 450도에서 268도 사이에서 이뤄졌다. 이 외에도 원자 조작, 반응성 및 반응들 다양한 절차를 통해 안전한 표면에 사이클로 카본을 생성 할 수 있었다.

최근 네이처에 따르면 IBM연구원들은 18개 탄소 고리가 번갈아 삼중 및 단일 결합을 가지고 있음을 제시했다. 대체 결합 유형은 탄소사슬과 고리에 반도체 특성을 부여할 수 있다. 옥스포드대 화학자 프제미슬로 고얼(Przemyslaw Gawel)은 미래 분자 크기 트랜지스터의 구성 요소로 유용 할 수 있다고 말한다.

노벨상 수상 화학자 로널드 호프만(Roald Hoffmann)은 탄소-18이 안정적인지 여부와 효율적으로 합성 될 수 있는지 여부를 강조했다.

탄소 원자는 다양한 구성으로 그 자체와 화학적 결합을 형성 할 수 있다. 각각의 원자는 다이아몬드와 같이 피라미드형 패턴으로 4개의 이웃에 결합 할 수 있다. 또는 단일 원자 두께의 6각형 패턴 그래핀 시트, 탄소나노튜브, 구형 플러렌 등을 구성하는 3개 결합패턴도 발견된다.

탄소는 또한 단 두 개의 인접한 원자와 결합을 형성 할 수 있다. 호프만은 뉴욕 이타카의 코넬대(Cornell University)에서 이같은 순수 탄소 사슬을 이론화해 왔다. 각 원자는 각면에 이중 결합, 즉 인접한 원자가 두 개의 전자를 공유함을 의미하거나 한쪽은 삼중 결합하고 다른 하나는 단일 결합을 형성 할 수 있다. 여러 팀이 이 패턴을 기반으로 링 또는 체인을 합성하려고 시도했다.

그러나 이러한 유형의 구조는 그래핀이나 다이아몬드보다 화학적으로 반응성이 높기 때문에 특히 굽은 경우에 덜 안정적이라고 고월은 지적한다. 안정적인 사슬과 고리를 합성하려면 일반적으로 탄소 이외의 원소를 포함시켜야한다. 일부 실험에서는 가스 단계에서 모든 탄소 고리가 생성되는 것을 암시했지만 결정적인 증거를 찾지 못했다.

옥스포드대 연구자들은 이에 앞서 표준 ‘습식’화학을 사용해 산소 원자와 결합한 4개의 탄소 사각형 분자를 먼저 합성했다. 그런 다음 팀은 스위스 취리히의 IBM 연구소로 샘플을 보냈다. 공동연구자들은 고진공 챔버 내에서 염화나트륨 층에 산소-탄소 분자를 넣었다. 그들은 외부의 산소 함유물을 제거하기 위해 전류(STM으로도 작용할 수 있는 원자력 현미경을 사용)로 한 번에 하나씩 고리를 조작해 18개 원자로 탄소 고리 구조를 구현했다.