作者:张双虎 来源: 中国科学报 发布时间:2023/12/1 12:29:59
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分子“手术”为碳材料家族“添丁”

 

本报讯(记者张双虎)同济大学教授许维团队,通过对两种分子实施“麻醉”和“手术”,首次精准合成两种全新的碳分子材料——芳香性环型碳C10和C14,并精细表征了它们的化学结构。这两种合成的新颖碳结构有望应用于未来的分子电子学器件中。相关研究11月30日在线发表于《自然》。

碳是一种常见的非金属元素。碳材料在自然界中有多种形式,其具体外在表现形式取决于每个碳原子周围与之成键的原子数目。当每个碳原子和周围4个原子成键时,就形成了自然界中天然存在的坚硬透明物质——钻石;当它和周围3个原子成键时,则形成了质软黑色的石墨。

当每个碳原子只和周围两个原子成键时,会形成环形纯碳分子(环型碳)。由于这种类型的碳结构具有很高的反应活性、极不稳定,在自然界中并非天然存在,而人工合成又极具挑战性。

此外,在环型碳中,每个碳原子和周围两个原子的成键方式是键长均等的累积烯烃型(连续的双键)还是不等的聚炔型(单键和三键交替),一直存在争议。很多团队尝试合成环型碳但并未成功,一些气相实验虽然显示存在环型碳的迹象,但难以分离提纯并进一步表征它们的结构。

直到2019年,IBM与英国牛津大学的研究团队合作,制备出单个的环型碳C18,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,环型碳是一个大家族,合成更小尺寸的环型碳,更具挑战性。

许维团队创新性地设计了全卤化萘和蒽两种前驱体分子,并将这两种分子放在作为手术台的氯化钠薄膜上,用液氦对其进行“麻醉”,而后对其进行原子操纵的“手术”,进而诱导两种分子完全脱卤并伴随发生反伯格曼开环反应,最终成功地在表面上合成两种芳香性环型碳C10和C14。化学键分辨的原子力显微镜分析表明,不同于此前C18的聚炔型结构,C10和C14均具有累积烯烃型的结构。

团队进一步通过理论计算发现,这两个碳材料家族新成员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,但尚未达到单键和三键的形式,并且从实验上也无法分辨出来。

“这项研究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。”许维说。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06741-x

《中国科学报》 (2023-12-01 第1版 要闻)
 
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