《自然》：同济大学许维团队首次合成两种新型碳同素异形体

直到2019年，IBM 实验室Leo Gross课题组与牛津大学的Harry Anderson教授合作在Science发文，他们以环状碳氧化合物C₂₄O₆作为前驱体，并将其吸附在氯化钠薄膜上，通过扫描隧道显微镜（STM）的针尖施加脉冲，使得前驱体逐步脱羰，最终在表面上制备出单个的环型碳C₁₈。通过化学键分辨的原子力显微镜（AFM）高分辨成像，首次从实验上验证了C₁₈为单键和三键交替的聚炔型结构。

然而，对于更小的环型碳，它们的结构和稳定性仍然是未知的。更为有趣的是，理论预测认为C₁₀是环型（n≥10）和线型（n<10）之间的分界点，同时也是最大的累积烯烃型芳香环型碳。而C₁₄则被认为是从累积烯烃型C₁₀到聚炔型C₁₈的Peierls相变过渡态。因此，研究C₁₀和C₁₄则具有极其重要的意义。若要精细表征它们的结构，精准合成是前提。

同济大学许维教授团队首次实现了环型碳C₁₀以及C₁₄的表面原位制备，并在实验上表征了 它们的累积烯烃型结构。该研究首先利用全氯代萘（C₁₀Cl₈）作为前体分子，在表面通过针尖操纵技术诱导分子发生脱氯反应并伴随着反伯格曼开环（retro-Bergman ring-opening）反应，完全脱氯后则合成了环型碳C₁₀。通过化学键分辨的 AFM 对C₁₀进行结构表征发现其为累积烯烃型。团队又利用相同的方法由全氯代蒽（C₁₄Cl₁₀）前驱体成功合成了环型碳C₁₄，其结构与C₁₀一致。团队通过进一步理论计算发现，C₁₀和C₁₄并非拥有完全一致的特性；C₁₀完全没有键长交替，而C₁₄作为从累积烯烃型C₁₀到聚炔型C₁₈的过渡态，存在一个非常小的键长交替（0.05 Å)，尚未达到单键和三键的形式，从实验上也无法分辨出来。

许维教授表示，这项研究工作极大推动了环型碳领域的发展，提出的表面合成策略有望成为一种合成系列环型碳的普适性方法。同时，合成的环型碳有望发展成为新型半导体材料，并在分子电子器件中有着广阔的应用前景。

该工作得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金项目的资助。

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06741-x