碳材料家族又添2位新成員：通過對兩種分子實施“麻醉”和“手術(shù)”，同濟大學科研團隊首次成功合成了分別由10個或14個碳原子組成的環(huán)形純碳分子材料。北京時間2023年11月30日零點，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“On-surface synthesis of aromatic cyclo[10]carbon and cyclo[14]carbon”。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)有望應用于未來的分子電子學器件中。
環(huán)型碳C10和C14的表面合成策略與化學結(jié)構(gòu)表征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)。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，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)。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 ?），尚未達到單鍵和三鍵的形式，從實驗上也無法分辨出來。同濟大學為論文的唯一完成單位，許維教授為論文的唯一通訊作者，團隊成員孫魯曄博士和鄭威特聘研究員為共同第一作者。該工作得到了國家自然科學基金杰出青年科學基金項目的資助。
