دانشمندان موفق به ساخت و تثبیت نخستین پیوند سه‌گانه بین یک عنصر لانتانید و اتم کربن شده‌اند؛ پیوندی میان سریم (Ce) و کربن که درون قفس مولکولی فولرن C₈₀ محصور شده است. این دستاورد مرزهای شیمی عناصر را جابه‌جا و امکان مطالعه پیوندهای کووالانسی نادر را فراهم می‌کند.
به گزارش ایسنا، در این پروژه برای نخستین‌بار در تاریخ شیمی لانتانیدها، یک پیوند کووالانسی سه‌گانه بین اتم سریم و کربن سنتز و به‌طور تجربی شناسایی شد. این پیوند در درون قفس کروی‌شکل یک مولکول فولرن (C₈₀) تثبیت شده است؛ ساختاری که نقش «محفظه نانومقیاس» را بازی و از فروپاشی پیوند در شرایط عادی جلوگیری می‌کند.
این دستاورد، گامی بزرگ در مسیر غلبه بر محدودیت‌های شناخته‌شده شیمی لانتانیدهاست. در حالی‌که این عناصر به‌ویژه در حالت‌های یونیده‌شده تمایل بیشتری به پیوندهای یونی دارند، تشکیل پیوندهای چندگانه کووالانسی به‌ویژه از نوع سه‌گانه، به دلیل شعاع بزرگ و هم‌پوشانی مداری ضعیف عناصر f-بلوک همواره دشوار و حتی غیرممکن تلقی می‌شده است.
با این حال، عنصر سریم به عنوان یکی از معدود لانتانیدهایی که می‌تواند به حالت اکسایش چهارظرفیتی برسد، در این پژوهش به عنوان گزینه‌ای ویژه انتخاب شد. این ویژگی موجب می‌شود تا سریم ظرفیت بهتری برای برقراری پیوندهای کووالانسی قوی‌تر با کربن داشته باشد؛ عاملی که برای تشکیل پیوند کوتاه و مستحکم سه‌گانه ضروری است.
مسیر سنتز: از گرافیت تا مولکول خالص
پژوهشگران برای ساخت این ترکیب، از تخلیه قوس الکتریکی در حضور میله‌های گرافیتی حاوی فلزات در اتمسفر هلیوم استفاده کردند. این فرایند منجر به تولید دوده کربنی حاوی متالوفولرن‌های گوناگون شد. پس از استخراج ترکیبات، ساختار CeSc₂C@C₈₀ با استفاده از روش کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC) جدا شد.
سپس ساختار مولکولی این ترکیب با استفاده از پراش پرتو ایکس تک‌بلوری (single-crystal XRD) مورد بررسی قرار گرفت. نتایج، طول پیوند سریم‌ـ‌کربن را ۱٫۸۹ آنگستروم نشان داد؛ فاصله‌ای بسیار کوتاه که با ویژگی‌های پیوند سه‌گانه هم‌خوانی دارد و شواهدی محکم برای ماهیت کووالانسی این پیوند فراهم می‌کند.
فولرن: نانوپوشش نجات‌بخش پیوندهای ناپایدار
پژوهشگران در این مقاله همچنین بر نقش حیاتی قفس فولرن C₈₀ در پایداری این پیوند تأکید کردند. این قفس نانومقیاس نه‌تنها از تماس ترکیب با هوا و رطوبت جلوگیری می‌کند، بلکه از واکنش‌های داخلی و خودتخریبی نیز ممانعت می‌کند؛ بدون آن‌که در هندسه یا ماهیت پیوند خللی وارد سازد.
بررسی‌های بیشتر با استفاده از تحلیل‌های محاسباتی کوانتومی نیز ساختار الکترونیکی و طول پیوند گزارش‌شده را تأیید کرد و نشان داد پیوند تشکیل‌شده واقعاً ماهیت سه‌گانه دارد، نه صرفاً یونی یا ضعیف.
این گروه پژوهشی اکنون در نظر دارد سایر لانتانیدها را نیز با روش مشابه بررسی کند تا بتوان الگوهای پیونددهی در این گروه از عناصر را بهتر شناخت.
این پژوهش نه‌تنها دیدگاه رایج درباره ضعف لانتانیدها در تشکیل پیوندهای چندگانه را به چالش می‌کشد، بلکه زمینه‌ساز ساخت ترکیباتی بی‌سابقه برای مطالعات بنیادی و حتی کاربردهای آینده در شیمی مواد، الکترونیک مولکولی و نانوفناوری خواهد بود.
منبع: ایسنا