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Le carbone peut être arrangé dans un certain nombre de configurations. Par exemple, lorsque chacun de ses atomes est lié à trois autres atomes de carbone, il s’agit d’un graphite relativement mou. Ajoutez un lien de plus et il devient l’un des minéraux les plus durs au monde, le diamant. Joignez 60 atomes de carbone ensemble en une forme de ballon, et vous obtenez ce que l’on appelle des « Buckyballs ».

Que sont les Buckyballs ? Dans le bourbier déroutant qui constitue le gaz se trouvant entre les étoiles, le télescope spatial Hubble a identifié des traces de buckminsterfullerene ionisé : la molécule de carbone connue sous le nom de « buckyball ». Contenant 60 atomes de carbone disposés en forme de ballon de football, le buckminsterfullerene (C60) se produit naturellement sur Terre, dans la suie. Mais en 2010, il a également été détecté dans une nébuleuse. Puis, en 2012, il a été découvert dans le gaz en orbite autour d’une étoile. Depuis peu, nous savons qu’il flotte également dans le milieu interstellaire. Et aujourd’hui, les scientifiques savent même comment en fabriquer.

Mais que se passe-t-il dans un anneau d’atomes de carbone où chaque atome est lié à deux autres atomes uniquement, et rien d’autre ? Est-ce possible de maintenir une telle structure stable ? Cela avait simplement échappé aux scientifiques pendant 50 ans : toutes leurs meilleures tentatives ont abouti à un anneau de carbone gazeux qui se dissipait rapidement.

Mais une équipe de chercheurs de l’Université d’Oxford et d’IBM Research a récemment réussi à créer un anneau de carbone stable. Le composant carboné en forme d’anneau, appelé un cyclocarbone, est composé de 18 atomes de carbone, soit le plus petit cyclocarbone pouvant être stable du point de vue thermodynamique. De plus, grâce à des techniques de microscopie avancées, nous en avons même des images.

Jusqu’à présent, les recherches sur la structure du cyclocarbone ont suggéré qu’il agissait d’une sorte de semi-conducteur, ce qui signifie qu’il pourrait être utilisé en électronique. De plus, il faut savoir que sa haute réactivité (soit la propriété même qui a rendu les cyclocarbones si difficiles à isoler en premier lieu) signifie qu’il pourrait être utilisé pour créer d’autres allotropes de carbone et des matériaux riches en carbone.

Pour réussir cet exploit, les chercheurs ont commencé par synthétiser l’oxyde de cyclocarbone triangulaire, soit C24O6. Il s’agit de 18 atomes de carbone liés à six molécules de monoxyde de carbone, regroupés à chacun des trois coins du triangle. Les chercheurs ont ensuite transféré cette préparation sur une couche de chlorure de sodium se trouvant sur une plaque de cuivre, refroidie dans une chambre à vide (à une température légèrement supérieure au zéro absolu) : cela a permis d’obtenir une surface inerte, qui maintenant la structure stable.

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anneau carbone pur

Aperçu du processus de création d’un cyclocarbone 18 C18. Crédits : IBM Research

Puis, en utilisant la pointe d’un microscope à force atomique, l’équipe a déplacé les molécules de monoxyde de carbone (CO) hors de la structure, ne laissant que l’anneau des atomes de carbone. « Nous avons retiré tous les six fragments CO du C24O6, avec un rendement de 13%, ce qui a généralement pour résultat des molécules circulaires », expliquent les chercheurs dans leur article.

Bien entendu, dit comme cela, cette procédure semble bien plus facile à effectuer qu’il n’y paraît. Au contraire, il était fort compliqué de déplacer les molécules de CO sans faire s’effondrer la totalité de la structure en anneau : dans de nombreux cas, les chercheurs ont plutôt produit des molécules telles que C22O4 et C20O2

Il est intéressant de noter que les atomes du cyclocarbone forment ce que l’on appelle une structure polyynique, alternant des liaisons simples et triples. Les scientifiques se sont longtemps demandés si un carbone unidimensionnel pourrait produire cette structure ou s’il allait plutôt produire une structure cumulénique, avec des doubles liaisons répétées.

À l’heure actuelle, les scientifiques pensent donc que c’est cette structure alternée qui produit la semi-conductivité. Ils suggèrent que les chaînes de carbone seraient aussi semi-conductrices.

À présent et dans un premier temps, les scientifiques devront se concentrer sur le processus de construction des cyclocarbornes, qui devra être affiné afin d’obtenir un rendement plus fiable. En effet, pour le moment, les anneaux ne peuvent être construits que l’un après l’autre. L’équipe de recherche prévoit donc de trouver des moyens de construire plusieurs cyclocarbones à la fois.

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Mais dans tous les cas, comme des cyclocarbones stables ont maintenant été produits, les scientifiques peuvent commencer à effectuer de nouvelles expérimentations, et ce pour diverses applications possibles, en déterminant par exemple comment exploiter la semi-conductivité ou en explorant les propriétés du cyclocarbone en tant que module de base pour des molécules encore plus complexes.

« Nos résultats fournissent des informations expérimentales directes quant à la structure d’un cyclocarbone et ouvrent la voie à la création d’autres molécules riches en carbone, par le biais de la manipulation d’atomes », ont déclaré les chercheurs.

Source : Science

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