تحولی در شیمی لانتانیدها با کشف پیوند سه‌گانه میان سریم و کربن

در یک دستاورد علمی تاریخی، پژوهشگران موفق شدند نخستین پیوند کووالانسی سه‌گانه بین یک عنصر لانتانید (سریم) و اتم کربن را شناسایی و تثبیت کنند؛ پیوندی که در درون ساختار قفسی مولکول فولرن C₈₀ محصور شده و از تخریب آن در شرایط عادی جلوگیری می‌شود.

به گزارش وب‌سایت تخصصی chemistryworld، این پیشرفت علمی می‌تواند راه را برای عبور از محدودیت‌های همیشگی عناصر لانتانید در تشکیل پیوندهای چندگانه هموار کند. در شرایطی که پیوندهای کووالانسی قوی بین عناصر f-بلوک به دلیل اندازه بزرگ اتمی و هم‌پوشانی مداری ضعیف بسیار نادر و حتی غیرممکن تصور می‌شد، اکنون برای نخستین‌بار چنین پیوندی به‌طور تجربی مشاهده شده است.

ویژگی‌های منحصر به‌فرد سریم در ایجاد پیوند سه‌گانه

در این پروژه، عنصر سریم به دلیل توانایی‌اش در دستیابی به حالت اکسایش +۴ به‌عنوان عنصر انتخابی به‌کار رفت. این ویژگی باعث شد سریم ظرفیت بالایی در برقراری پیوند کووالانسی قوی با اتم کربن از خود نشان دهد. وجود این پیوند سه‌گانه درون محفظه نانومقیاس فولرن، کلید حفظ پایداری ساختار پیچیده و جلوگیری از فروپاشی ترکیب شد.

مسیر ساخت از تخلیه قوس تا آنالیز تک‌بلوری

سنتز ترکیب جدید از طریق تخلیه قوس الکتریکی در محیطی از گرافیت و هلیوم انجام شد؛ فرآیندی که منجر به تولید دوده کربنی حاوی متالوفولرن‌های گوناگون گردید. در ادامه، ترکیب CeSc₂C@C₈₀ از میان سایر محصولات با روش کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC) جداسازی شد. بررسی ساختار آن با پراش پرتو ایکس تک‌بلوری، طول پیوند سریم‌ـ‌کربن را ۱٫۸۹ آنگستروم ثبت کرد؛ رقمی که با استانداردهای پیوندهای سه‌گانه کووالانسی همخوانی دارد.

نقش کلیدی فولرن در تثبیت پیوند

مولکول فولرن C₈₀ به‌عنوان یک حفره حفاظتی نانومقیاس نه‌تنها مانع از تماس ترکیب با عوامل مخرب محیطی می‌شود بلکه از واکنش‌های درونی و ناپایداری احتمالی جلوگیری می‌کند، بدون آن‌که ساختار هندسی یا نوع پیوند را مختل سازد. داده‌های محاسباتی کوانتومی نیز اعتبار الکترونیکی پیوند و ماهیت سه‌گانه آن را تأیید کرده‌اند.

آینده‌ای نو برای شیمی عناصر خاکی کمیاب

گروه تحقیقاتی در نظر دارد روش موفقیت‌آمیز فعلی را برای سایر لانتانیدها نیز به‌کار بگیرد تا الگوهای جدید پیونددهی را در این گروه از عناصر کمیاب بررسی کند. این موفقیت نه‌تنها باورهای قبلی درباره ناتوانی لانتانیدها در ایجاد پیوندهای چندگانه را زیر سوال می‌برد، بلکه می‌تواند فصل تازه‌ای در توسعه ترکیبات نوین برای کاربردهایی در نانو فناوری، الکترونیک مولکولی و شیمی پیشرفته مواد بگشاید.