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(xué)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(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)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(xué)器件中。
環(huán)型碳C10和C14的表面合成策略與化學(xué)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(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(xué)家和理論學(xué)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(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(dǎo)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(xué)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(xué)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(xué)基金杰出青年科學(xué)基金項目的資助。
