12月13日，《自然·通讯》（Nature Communications）以“加速出版”的形式在线发表了材料科学与工程学院许维教授团队的最新科研成果“On-surface synthesis of cyclo[20]carbon and cyclo[30]carbon from cyclo[10]carbon”。该研究创新性提出了“偶联-开环”的环型碳制备新策略，即以环型碳C₁₀为前驱体，通过针尖操纵成功合成环型碳C₂₀和C₃₀，为大尺寸环型碳的精准制备开辟了新路径。

环型碳（Cyclo[n]carbon，Cₙ）作为一类独特的碳同素异形体，因其奇特的电子结构与卓越的物理化学特性，长期受到实验和理论研究的高度关注。依托表面化学合成技术，科研人员已成功制备C₆–C₂₆等系列环型碳。然而，随着环尺寸增大，其对应前体分子的溶液相合成难度急剧攀升，成为制约更大尺寸环型碳研究的关键瓶颈。因此，探索突破传统前体策略的新方法具有重要的科学价值。

为解决这一难题，许维教授团队提出了“偶联-开环”新范式：利用小尺寸环型碳作为基础单元，通过针尖操纵诱导其发生偶联与开环反应，从而实现更大尺寸环型碳的构筑。研究团队选用已成熟制备的C₁₀作为起始前体，首先在绝缘衬底表面制备多个C₁₀分子，随后通过针尖操纵促使其偶联生成C₁₀二聚体或三聚体，并在后续开环步骤中精准转化为C₂₀和C₃₀。

实验完整捕获了从C₁₀到C₂₀、C₃₀的反应演化路径：C₁₀二聚体依次经历单键桥连与四元环桥连结构，随后开环生成具有十个碳碳三键的C₂₀；C₁₀三聚体则经多步中间体逐级转化，最终生成含十五个碳碳三键的C₃₀。值得强调的是，C₃₀是目前表面化学合成中已成功制备的最大尺寸环型碳。研究团队还进一步探索了由更高聚体构建C₄₀的可能性，为后续合成更大尺寸环型碳提供了思路。

该研究首次建立了基于“偶联-开环”的大尺寸环型碳合成新范式，突破了传统策略对复杂前驱体的依赖，为碳原子数n≥20的大尺寸环型碳制备提供了高效可行的路径。环型碳C₃₀等大尺寸环型碳的成功合成，不仅丰富了碳同素异形体家族，更为探索环型碳的聚合反应、开发新型碳基量子材料与分子电子器件提供了关键物质基础。新提出的合成策略有望推动系列大尺寸环型碳的合成，助力碳材料领域的前沿创新。

同济大学为论文唯一完成单位，博士生郭媛为论文第一作者，孙鲁晔副教授与许维教授为论文共同通讯作者。该研究工作获得国家自然科学基金杰出青年/青年基金、国家重点研发计划及上海市科委项目资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66650-7