Wytwarzanie dwuwymiarowych struktur krzemowych
W swojej naturalnej postaci krzem, będący krystalicznym ciałem stałym, tworzy związki z czterema innymi pierwiastkami, przyjmujące formę trójwymiarowej struktury – czworościanu. Tego rodzaju związki krzemu stanowią jeden z głównych materiałów budulcowych skorupy ziemskiej, która składa się z różnych rodzajów skał, w tym między innymi granitu, bazaltu, łupków metamorficznych i piaskowca. Większość z nich jest zbudowana z minerałów będących związkami krzemu – drugiego po tlenie najpowszechniej występującego pierwiastka w skorupie ziemskiej. W przeszłości synteza i możliwość scharakteryzowania dwuwymiarowego odpowiednika czworościennych związków krzemu wydawały się nieosiągalne. Teraz naukowcom wspieranym w ramach finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu pCx4All udało się stworzyć taki związek krystaliczny. Ich osiągnięcie utoruje drogę do nowych zastosowań krzemu w katalizie oraz pracach nad nowymi materiałami w dziedzinie chemii molekularnej.
Zaburzyć stabilność czworościanu
Krzem należy do metaloidów i jest jednym z sześciu pierwiastków chemicznych tworzących grupę węglowców w układzie okresowym. Podobnie jak węgiel, krzem tworzy związki z czterema pierwiastkami, tworząc czworościany – bryły o czterech ścianach w kształcie trójkątów. Geometrycznym odpowiednikiem czworościanu foremnego w dwóch wymiarach byłby kwadrat. Czworościan jest jednak na tyle stabilny, że w przypadku naturalnego krzemu(IV) nie występują inne znane struktury oparte na czterech wiązaniach. Jak czytamy w informacji prasowej opublikowanej w serwisie ScienceDaily, dr Lutz Greb zatrudniony na niemieckim Uniwersytecie w Heidelbergu, który był gospodarzem projektu pCx4All, zauważył, że nawet 40 lat intensywnych badań nie pozwoliło naukowcom na stworzenie płaszczyzny krzemowej opartej na krzemie(IV) o kwadratowym kształcie. Dopiero zespołowi dr. Greba udało się zsyntetyzować i w pełni scharakteryzować tego rodzaju strukturę. Wyniki przeprowadzonych badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Chem”. Zespołowi udało się otrzymać monokryształ krzemu – pojedynczy kryształ, którego sieć krystaliczna jest ciągła i nieprzerwana w całej strukturze. Kryształ ten został następnie napromieniowany zogniskowaną wiązką promieniowania rentgenowskiego. Gdy promienie napotykały atomy monokryształu, ulegały dyfrakcji. W rezultacie udało się uzyskać wzór, dzięki któremu naukowcy byli w stanie bezbłędnie określić położenie jąder atomowych. To pozwoliło na potwierdzenie istnienia cząsteczek krzemu(IV) o kwadratowej płaszczyźnie. Dalsze analizy ujawniły nieoczekiwane właściwości fizyczne i chemiczne struktury, takie jak kolor w naturalnie bezbarwnej substancji. „Synteza tej konfiguracji z wybranych przez nas elementów jest stosunkowo prosta, gdy uwzględni się kluczowe warunki”, zauważa główny autor badania, dr Fabian Ebner, pracownik naukowy Uniwersytetu w Heidelbergu, w informacji prasowej. Jednak fakt, że tego rodzaju cząsteczka krzemu stanowi stabilny i możliwy do wyizolowania związek, był zaskakującym odkryciem. „Ze względu na wysoką reaktywność istnieje wiele możliwych sposobów rozkładu tego związku. Mimo to zawsze wierzyliśmy, że istnieje możliwość jego wyizolowania”, podsumowuje dr Greb. Projekt pCx4All (Calix[4]pyrrole for p-block elements: anti-van’t Hoff-Le Bel configuration and ligand-element cooperativity revive the standard oxidation states.) dobiegnie końca w październiku 2025 roku. Więcej informacji: strona projektu pCx4All
Słowa kluczowe
pCx4All, krzem, czworościan, płaszczyzna kwadratowa krzemu(IV), dwuwymiarowa, chemia molekularna
