碳材料家族又添2位新成員：通過(guò)對(duì)兩種分子實(shí)施“麻醉”和“手術(shù)”，同濟(jì)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)首次成功合成了分別由10個(gè)或14個(gè)碳原子組成的環(huán)形純碳分子材料。北京時(shí)間2023年11月30日零點(diǎn)，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院許維教授團(tuán)隊(duì)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(xiàng)研究首次成功精準(zhǔn)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(xì)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(lái)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(dāng)每個(gè)碳原子只和周圍兩個(gè)原子成鍵時(shí)，會(huì)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(gè)碳原子和周圍兩個(gè)原子的成鍵方式一直還存在爭(zhēng)議，即鍵長(zhǎng)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(wèn)題吸引了實(shí)驗(yàn)學(xué)家和理論學(xué)家極大的興趣。許多團(tuán)隊(duì)嘗試合成環(huán)型碳但并未獲得成功，一些氣相的實(shí)驗(yàn)雖然顯示存在環(huán)型碳的跡象，但是難以分離提純并進(jìn)一步表征它們的結(jié)構(gòu)。在本研究中，團(tuán)隊(duì)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(jì)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(tái)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(duì)其進(jìn)行“手術(shù)”（原子操縱），進(jìn)而誘導(dǎo)兩種分子完全脫鹵并伴隨發(fā)生反伯格曼開(kāi)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。化學(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(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)理論計(jì)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(méi)有鍵長(zhǎng)交替，而C14作為從累積烯烴型C10到聚炔型C18的過(guò)渡態(tài)，存在一個(gè)非常小的鍵長(zhǎng)交替（0.05 ?），尚未達(dá)到單鍵和三鍵的形式，從實(shí)驗(yàn)上也無(wú)法分辨出來(lái)。同濟(jì)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(tuán)隊(duì)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(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
