近日，國際頂級學術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了同濟大學材料科學與工程學院許維教授團隊的這一最新科研成果，論文題為《表面合成芳香性環(huán)型碳C10和C14》。這項研究首次成功精準合成了兩種全新的碳分子材料（碳同素異形體），即芳香性環(huán)型碳C10和C14，并精細表征了它們的化學結(jié)構(gòu)，這兩種合成的新穎碳結(jié)構(gòu)有望應(yīng)用于未來的分子電子學器件中。 a#r{FoU{M8  
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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(xiàn)形式取決于每個碳原子周圍與之成鍵的原子數(shù)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(zhì)——鉆石；當它和周圍三個原子成鍵時，則形成了質(zhì)軟黑色的石墨。 lF!
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當每個碳原子只和周圍兩個原子成鍵時，會形成環(huán)形純碳分子（即環(huán)型碳，Cn）。由于這種類型的碳結(jié)構(gòu)具有很高的反應(yīng)活性，極不穩(wěn)定，在自然界中并不是天然存在的，而人工合成又極具挑戰(zhàn)性。此外，在環(huán)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(xù)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(jié)構(gòu)和穩(wěn)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。許多團隊嘗試合成環(huán)型碳但并未獲得成功，一些氣相的實驗雖然顯示存在環(huán)型碳的跡象，但是難以分離提純并進一步表征它們的結(jié)構(gòu)。 AtCT  
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直到2019年，IBM實驗室與牛津大學研究團隊制備出單個的環(huán)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(jié)構(gòu)。然而，環(huán)型碳是一個大家族，對于更小的環(huán)型碳，它們的合成由于尺寸太小變得更具挑戰(zhàn)性。此外，它們的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性仍然讓人難以捉摸。特殊的是，有理論預(yù)測C10是環(huán)型（n ≥ 10）和線型（n < 10）的分界點，同時也是最大的芳香性累積烯烴型環(huán)型碳。C14則被預(yù)測是從累積烯烴型C10到聚炔型C18的Peierls相變過渡態(tài)。 ~-7/9$ay5  
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因此，研究C10和C14的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性具有極其重要的意義。只有將這2種全新的碳材料家族成員精準合成出來，方能精細表征它們的結(jié)構(gòu)。 15j5F5P   
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在本研究中，團隊采用了不同于C18的將環(huán)狀碳氧化合物作為前驅(qū)體的合成路線，而是創(chuàng)新性地設(shè)計了全鹵化萘（C10Cl8）和蒽（C14Cl10）兩種前驅(qū)體分子。將這兩種分子放在“手術(shù)臺上”（氯化鈉薄膜）并將其“麻醉”（液氦4.7 K凍住），而后利用STM針尖作為“手術(shù)刀”對其進行“手術(shù)”（原子操縱），進而誘導兩種分子完全脫鹵并伴隨發(fā)生反伯格曼開環(huán)（retro-Bergman ring-opening）反應(yīng)，最終成功地在表面上合成了兩種芳香性環(huán)型碳C10和C14�；瘜W鍵分辨的原子力顯微鏡表明，不同于此前C18的聚炔型結(jié)構(gòu)，C10和C14均具有累積烯烴型的結(jié)構(gòu)。 K& ^qn&  
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團隊進一步通過理論計算發(fā)現(xiàn)，這2位碳材料家族的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(tài)，存在一個非常小的鍵長交替（0.05 Å），尚未達到單鍵和三鍵的形式，從實驗上也無法分辨出來。 1}=D  
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許維表示，這項研究工作極大推動了環(huán)型碳領(lǐng)域的發(fā)展，提出的表面合成策略有望成為一種合成系列環(huán)型碳的普適性方法。同時，合成的環(huán)型碳有望發(fā)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(yīng)用前景。 ?tjEXg>ny  

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