實施分子“手術”，碳材料家族“添新丁”

　　11月30日，《自然》在線發表同濟大學材料科學與工程學院教授許維團隊的最新成果，研究人員通過對兩種分子實施“麻醉”和“手術”，首次合成分別由10個或14個碳原子組成的環形純碳分子材料。

　　該研究首次精準合成兩種全新的碳分子材料（碳同素異形體），芳香性環型碳C10和C14，并精細表征了它們的化學結構，這兩種合成的新穎碳結構有望應用于未來的分子電子學器件中。

　　碳是一種常見的非金屬元素，碳材料在自然界中有多種形式，其具體外在表現形式取決于每個碳原子周圍與之成鍵的原子數目。當每個碳原子和周圍四個原子成鍵時，就形成了自然界中天然存在的堅硬透明的物質——鉆石；當它和周圍三個原子成鍵時，則形成了質軟黑色的石墨。

　　當每個碳原子只和周圍兩個原子成鍵時，會形成環形純碳分子（環型碳，Cn）。由于這種類型的碳結構具有很高的反應活性，極不穩定，在自然界中并非天然存在，而人工合成又極具挑戰性。

　　此外，在環型碳中，每個碳原子和周圍兩個原子的成鍵方式一直還存在爭議，即鍵長均等的累積烯烴型（連續的雙鍵）還是不等的聚炔型（單鍵和三鍵交替）。因此，它們撲朔迷離的結構和穩定性這些最基本的問題吸引了實驗學家和理論學家極大的興趣。很多團隊嘗試合成環型碳但并未獲得成功，一些氣相的實驗雖然顯示存在環型碳的跡象，但是難以分離提純并進一步表征它們的結構。

　　直到2019年，IBM實驗室與牛津大學研究團隊制備出單個的環型碳C18，首次從實驗上驗證了C18為單鍵和三鍵交替的聚炔型結構。然而，環型碳是一個大家族，對于更小的環型碳，它們的合成由于尺寸太小變得更具挑戰性。

　　該研究中，團隊創新性地設計了全鹵化萘和蒽兩種前驅體分子。將這兩種分子放在“手術臺上”（氯化鈉薄膜）并將其“麻醉”（液氦4.7 K凍住），而后對其進行“手術”（原子操縱），進而誘導兩種分子完全脫鹵并伴隨發生反伯格曼開環反應，最終成功地在表面上合成了兩種芳香性環型碳C10和C14。化學鍵分辨的原子力顯微鏡表明，不同于此前C18的聚炔型結構，C10和C14均具有累積烯烴型的結構。

　　團隊進一步通過理論計算發現，這兩個碳材料家族新成員并非擁有完全一致的特性，C10完全沒有鍵長交替，而C14作為從累積烯烴型C10到聚炔型C18的過渡態，存在一個非常小的鍵長交替，尚未達到單鍵和三鍵的形式，從實驗上也無法分辨出來。

　　“這項研究工作極大推動了環型碳領域的發展，提出的表面合成策略有望成為一種合成系列環型碳的普適性方法。”許維說，“同時，合成的環型碳有望發展成為新型半導體材料，并在分子電子器件中有著廣闊的應用前景。”