Mikroskopisk ring af carbon leverer svaret på 50 år gammelt mysterie
Verdens første ring af carbonatomer er blevet fremstillet i et laboratorie. Det er muligvis første skridt mod at kunne producere mikro-elektronik, som bruger langt mindre strøm end i dag.
Carbonring kemi grafen materialer elektroner molekyle carbonatom carbontråd mikroskopisk nanomanipulering elektronik oxygen

Med et nanoværktøj har forskerne formået at skabe verdens første ring af rene carbonatomer. De var nødt til at benytte et avanceret mikroskop for at kunne afbillede den lillebitte ring. (Illustration baseret på mikroskopbilledet: IBM Research)

Med et nanoværktøj har forskerne formået at skabe verdens første ring af rene carbonatomer. De var nødt til at benytte et avanceret mikroskop for at kunne afbillede den lillebitte ring. (Illustration baseret på mikroskopbilledet: IBM Research)

Et 50 år gammelt mysterium er blevet opklaret. Blandt kemikerne har der længe været uenighed om, hvordan en ring af carbonatomer rent faktisk ville se ud – og om det overhovedet var muligt at lave en sådan ring.

»Indtil nu vidste vi kun meget lidt om rene carbonringe. Vi har set tegn på dem, ment at de eksisterer, men det er først nu, at det er lykkes at isolere dem og gøre noget med dem,« siger Gerhard Olsen.

Han har skrevet en ph.d. om materialeteknologi og underviser i nanoteknologi ved Norges tekniske og naturvidenskabelige universitet, NTNU.

Den mystiske lille ring, som blev lavet ved et IBM-laboratorie i Schweiz, består af 18 carbonatomer.

Atomerne ligger på rad og række – bundet sammen i en ring. Måden, de er bundet sammen på, gør, at ringene muligvis vil egne sig til at producere elektronik på mikroskopisk skala, skriver forskerne bag studiet i tidsskriftet Science.

Store tekniske forhindringer

Carbonringen slutter sig til rækken af rene carbonforbindelser som diamanter, nanorør af carbon og det transparante, elektrisk ledende og varmeledende materiale, grafen.

Fælles for alle disse materialer er, at carbonatomerne er organiseret helt symmetrisk i forhold til hinanden.

Det mest lovende ved den nye carbonring er, at det er et skridt på vejen mod endnu en slags carbonmateriale, mener Ida Marie Eriksdatter Høiaas, som forsker i brugen af grafen i LED-lys både ved NTNU og i IT-virksomheden Crayonano.

En ring er nemlig første skridt mod at kunne fremstille supertynde carbontråde – enkeltatomer af carbon, som hænger sammen i en lang række.

LÆS OGSÅ: Carbon nanotubes er 100 gange stærkere end stål

Carbontråde kan bruges til at forbedre vores elektronik og eksempelvis sørge for, at elektronikken bruger langt mindre strøm end i dag.

»Hvis man bruger en tråd med enkeltatomer i et kredsløb, fylder det mindre på en chip, end hvis man bruger en ledning,« siger Ida Marie Eriksdatter Høiaas.

Men det er ikke sikkert, at det vil fungere, for indtil videre ved forskerne ingenting om, hvilke elektroniske egenskaber de bittesmå molekyler har – hverken carbonringene eller carbontrådene.

»Der er nogle ret store forhindringer, vi skal overvinde, før vi kan bruge det indeni noget som helst,« siger Ida Marie Eriksdatter Høiaas.

LÆS OGSÅ: Grafen kan give ultrahurtige computere

Imponeret over metoden

Gerhard Olsen mener, at det mest interessante ved studiet er, at det i det hele taget kan lade sig gøre at skabe en carbonring.

»Forskerne kan gå ind med et menneskeskabt værktøj og ændre på strukturen i en enkelt molekyle. Det er jo helt fantastisk og en påmindelse om, hvor langt vi er nået inden for nanomanipulering. Så er det - i hvert fald for mig – let at forestille sig, at der kommer til at ske store ting i løbet af de kommende år.«

IBM-forskerne fik hjælp af forskere fra Oxford University til at lave carbonringen. De formåede nemlig at lave et lille molekyle, som lignede carbonringen. 

Det næsten ringformede molekyle indeholdt også oxygen og var derfor mere stabilt end den rene carbonring. Og så tog forskerne ved IBM over.

»De bruger et særligt nanoværktøj til at fjerne lidt carbon og alt oxygenet, så de til sidst står tilbage med en ren carbonring,« forklarer Gerhard Olsen.

LÆS OGSÅ: Er nanomaterialer farlige?

Vil ikke kunne klare sig i den virkelige verden

Ringen blev lavet i et vacuum på et underlag af bordsalt ved ekstremt lave temperaturer. Indtil videre er ringen ikke stabil udenfor laboratoriet.

Ida Marie Høiaas påpeger, at forskerne har udviklet mange forskellige lovende materialer i laboratoriet, som ikke rigtig har fungeret ude i den virkelige verden, blandt andet grafen, som hun selv arbejder med.

»Grunden til, at grafen i første omgang blev rost til skyerne, er, at det har så mange gode egenskaber – både mekanisk og elektronisk. Men det viste sig, at grafen var vanskeligt at benytte i applikationer.«

LÆS OGSÅ: Multiferroics: Ny tid – nye materialer

Grafen er blot et enkelt atomlag tykt, som et utroligt tyndt ark, hvor elektronerne kan fare rundt. Det betyder, at dette rene carbonmateriale er gennemsigtigt, utroligt stærkt og velegnet til elektronik.

Men det har ikke været helt så let at bruge det supertynde stof, som mange ellers forudsagde - hverken for forskerne i Trondheim eller i resten af verden.

Derfor er Ida Marie Eriksdatter Høiaas betænkelig ved at spå om den nye mikroskopiske carbonrings nytteværdi, for i modsætning til grafen tåler det hverken rumtemperaturer eller at komme i kontakt med andre stoffer.

Uenighed blandt kemikerne

Et af de helt store debatemner blandt kemikerne i løbet af de seneste 50 år har været, hvordan atomerne i en ren carbonring ville være bundet sammen.

Forskergrupper verden over har forsøgt at regne sig frem til svaret, men de er nået frem til vidt forskellige svar. Blandt andet har måden, de negativt ladede elektroner fordeler sig omkring carbonatomerne, været et af de helt store spørgsmål – for det er elektronerne, som skaber bindingerne mellem hvert carbonatom i ringen.

Gerhard Olsen, som selv har arbejdet med lignende beregninger i andre materialer, synes, det er spændende at se, hvilke forskere som fik ret.

»Kemien er meget enkel, der er kun carbon i molekylet, men det viser sig alligevel, at vi ender med et helt andet resultat, afhængigt af hvilken beregningsmetode vi bruger. Og det er ikke nødvendigvis den mest avancerede metode, der leverer det mest korrekte svar.«

LÆS OGSÅ: Grafen er ikke altid et mirakelmateriale

»En meget givende oplevelse«

Nu kan forskerne fra IBM og Oxford University endelig levere svaret: De negativt ladede elektroner er ujævnt fordelt omkring carbonatomkernerne i ringen.

For de indviede vil det sige, at elektronerne i hvert carbonatom laver en såkaldt tripelbinding (tredobbelt binding) til det ene naboatom og en enkeltbinding til den anden nabo.

Forskerne bag studiet skriver, at den ujævne fordeling af elektronerne i carbonringen gør, at den vil fungere som en halvleder i elektronikken.

Men de er allermest stolte af at fremstille den eftertragtede ring i en så stabil form, at det er lykkedes dem at forevige den.

»At se det første billede af carbon-18-ringen og al den kemi, som jeg har arbejdet med i månedsvis, komme sammen var en meget givende oplevelse,« fortalte en af forskerne bag studiet, Lorel Scriven, til Gizmodo.

©Forskning.no. Oversat af Stephanie Lammers-Clark.

LÆS OGSÅ: Grafen er ikke altid et mirakelmateriale

LÆS OGSÅ: En 'magisk vinkel' gør grafen superledende

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.