1月22日，《国家科学评论》（National Science Review）在线发表了同济大学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 and characterization of polyynic carbon chains”。该项研究首次在表面成功合成了一维碳原子链，最长的含有~120个碳原子，并精细表征了其聚炔型化学结构。此外，该研究首次在绝缘衬底NaCl上测量了含有14个碳原子的线型碳本征电子学性质。该工作合成的碳结构有望应用于未来的分子电子学器件中。

碳在自然界中有多种形式，比如大家熟知的钻石和石墨，也有一些是科学家人工合成或制备的新颖碳纳米材料，包括足球烯（1996年诺贝尔化学奖）、碳纳米管、石墨烯（2010年诺贝尔物理奖）等。不同形式的碳材料，其物理化学性质迥然不同，每种碳材料的具体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四个原子成键时就形成了自然界中天然存在的最坚硬的物质——钻石，而和周围三个原子成键时则形成了质软的石墨。

当每个碳原子只和周围两个原子成键时，会形成零维的碳环（即环型碳）或一维的碳链（即线型碳）。碳链的存在和发现一直存在着很大的争议。它的发现可以追溯到上个世纪60年代，苏联科学家号称在陨石中发现了一维的碳链结构，并将其命名为卡拜（Carbyne）（Polymer Science U.S.S.R., 2, 148, 1961）。与传统的一维碳同素异形体碳纳米管不同，卡拜是更为极限的一维结构，它的横截面尺寸小到只有一个碳原子。卡拜也因其独特的结构而被理论预测为已知的机械强度最强的材料（ACS Nano, 7, 10075, 2013）。然而，由于这类碳结构具有很高的反应活性，其人工合成极具挑战性。此外，每个碳原子和周围两个原子的成键方式一直还存在争议，即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）。因此，它们扑朔迷离的结构和稳定性这些最基本的问题吸引了实验学家和理论学家极大的兴趣。

为了稳定长碳链，添加末端基团是制备不同长度碳链的常见有机合成策略，迄今为止报道的最长的端基稳定的聚炔型碳链是由34个连续的碳碳三键（68个碳原子）组成（Nat. Chem., 2023, doi.org/10.1038/s41557-023-01374-z）。

表面在位合成（On-surface synthesis）在原子级精准制备高反应活性的一维碳纳米结构方面一直是一种有效的策略。在该研究中，许维团队利用表面合成方法，以C₄Br₆为前驱体，通过脱卤聚合及后续的脱金属反应，在Au(111)表面合成出不含末端基团的碳链，其中最长的达到了15纳米，含有约60个连续的碳碳三键（120个碳原子）。化学键分辨的AFM清楚地表征了碳链的聚炔型结构，即单键和三键重复交替。

图1 聚炔型碳原子链的表面合成策略、化学结构表征以及电子学性质测量

此外，团队还对碳链的本征电子学性质进行了原位测量，设计了另一种全卤代的蒽（C₁₄Cl₁₀）作为前驱体分子。而后将分子放在“手术台上”（氯化钠薄膜）并将其“麻醉”（液氦4.7 K冻住），利用STM针尖作为“手术刀”对其进行“手术”（原子操纵），进而诱导该分子完全脱卤并伴随发生开环（ring-opening），最终成功地在表面上精准合成了含有14个碳原子的线型碳，并对其本征电子学性质进行了测量，测得其带隙约为5.8 eV。

该工作极大推动了线型碳领域的发展，提出的表面合成策略有望作为一种合成无端基碳链的普适性方法。同时合成的线型碳有望发展为新型半导体材料，并在分子电子器件中有着广阔的应用前景。

同济大学为论文的唯一完成单位，许维教授为论文的唯一通讯作者，团队成员高文泽为第一作者。该研究得到了国家自然科学基金杰青项目的资助。

论文链接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article-abstract/doi/10.1093/nsr/nwae031/7585363?utm_source=advanceaccess&utm_campaign=nsr&utm_medium=email