Les chimistes fabriquent pour la première fois un anneau de carbone pur

Longtemps après que la plupart des chimistes aient renoncé à leurs tentatives, une équipe de chercheurs a synthétisé la première molécule de carbone pur en forme d'anneau – un cercle de 18 atomes.

Les chimistes ont commencé avec une molécule triangulaire de carbone et d'oxygène, qu'ils ont manipulée avec des courants électriques pour créer le cycle de carbone-18. Les études initiales des propriétés de la molécule, appelée cyclocarbone, suggèrent que celle-ci agit comme un semi-conducteur, ce qui pourrait rendre des chaînes carbonées simples similaires utiles comme composants électroniques à l'échelle moléculaire.

C'est un «travail absolument époustouflant» qui ouvre un nouveau champ d'investigation, déclare Yoshito Tobe, chimiste à l'Université d'Osaka au Japon. «De nombreux scientifiques, dont moi-même, ont essayé de capturer les cyclocarbures et de déterminer leurs structures moléculaires, mais en vain», déclare Tobe. Les résultats apparaissent dans Science le 15 août.

Le carbone pur se présente sous différentes formes, notamment le diamant, le graphite et le carbone. Les atomes de l'élément peuvent former des liaisons chimiques avec eux-mêmes selon différentes configurations: par exemple, chaque atome peut se lier à quatre voisins selon un motif en forme de pyramide, comme dans le cas du diamant; ou à trois, comme dans les motifs hexagonaux qui composent le. (Un tel motif à trois liaisons se retrouve également dans le graphite en vrac, ainsi que dans les nanotubes de carbone et dans les molécules globulaires appelées fullerènes.)

Mais le carbone peut aussi former des liaisons avec seulement deux atomes proches. Le chimiste Roald Hoffmann, chimiste primé à l’Université Cornell à Ithaca, dans l’État de New York, a longtemps émis l’hypothèse que cela conduirait à des chaînes pures d’atomes de carbone. Chaque atome peut former une double liaison de chaque côté – signifiant que les atomes adjacents partagent deux électrons – ou une triple liaison d’un côté et une simple liaison de l’autre. Diverses équipes ont tenté de synthétiser des anneaux ou des chaînes en fonction de ce modèle.

Mais parce que ce type de structure est plus réactif chimiquement que le graphène ou le diamant, il est moins stable, en particulier lorsqu'il est plié, explique le chimiste Przemyslaw Gawel de l'Université d'Oxford, au Royaume-Uni. La synthèse de chaînes et d'anneaux stables a généralement nécessité l'inclusion d'éléments autres que le carbone. Certaines expériences ont fait allusion à la création d'anneaux tout carbone dans un nuage de gaz, mais elles n'ont pas été en mesure de trouver une preuve concluante.

Un anneau

Gawel et ses collaborateurs ont maintenant créé et imagé le carbone-18, une molécule anneau recherchée depuis longtemps. Son collaborateur Lorel Scriven, un chimiste à Oxford, a d'abord synthétisé des molécules comprenant des carrés à quatre carbones sortant de l'anneau avec des atomes d'oxygène attachés à des carrés. L'équipe a ensuite envoyé ses échantillons aux laboratoires IBM de Zurich, en Suisse, où des collaborateurs ont placé les molécules d'oxygène et de carbone sur une couche de chlorure de sodium, à l'intérieur d'une chambre sous vide poussé. Ils ont manipulé les anneaux un par un avec des courants électriques (à l'aide d'un microscope à force atomique pouvant également jouer le rôle de microscope à balayage) pour éliminer les parties superflues contenant de l'oxygène. Après de nombreux essais et erreurs, les analyses par micrographie ont révélé la structure à 18 carbones. «Je n'aurais jamais pensé voir cela», déclare Scriven.

Les chercheurs d'IBM ont montré que les anneaux à 18 carbones avaient des liaisons simples et triples alternées. Les résultats théoriques avaient divergé sur la question de savoir si le carbone 18 aurait ce type de structure, ou une structure entièrement composée de doubles liaisons.

Les types de liaisons alternées sont intéressants car ils sont supposés donner aux chaînes de carbone et aux anneaux les propriétés des semi-conducteurs. Les résultats suggèrent que les longues chaînes de carbone droites pourraient également être des semi-conducteurs, ce qui pourrait les rendre utiles en tant que composants de futurs transistors de taille moléculaire.

Pour le moment, les chercheurs vont étudier les propriétés fondamentales du carbone 18, qu'ils n'ont pu fabriquer qu'une seule molécule à la fois. Ils vont également continuer à essayer d'autres techniques qui pourraient donner de plus grandes quantités. «Il s’agit d’une recherche fondamentale jusqu’à présent», déclare Gawel.

«Le travail est beau», dit Hoffmann, bien qu'il reste à savoir si le carbone 18 est stable lorsqu'il est soulevé de la surface saline et s'il peut être synthétisé plus efficacement qu'une molécule à la fois.