北京时间2023年11月30日，Nature杂志在线发表了同济大学许维教授团队的最新成果。通过对前驱体分子的“麻醉”和“手术”，他们成功在国际上首次实现了环型碳C10和C14两种新型碳同素异形体的表面制备，并原位表征了它们的化学结构。

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，团队成员孙鲁晔博士和郑威特聘研究员为共同第一作者。

环形碳（Cn）作为一种新型的碳同素异形体，由sp杂化的碳构成，其独特的化学结构和电子性质而受到广泛关注。由于它们的化学活性很高，在自然界中并不是天然存在的，而人工合成又极具挑战性。此外，在环型碳中碳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。许多团队尝试合成环型碳但并未获得成功，一些气相的实验显示存在环型碳的迹象，但是难以分离提纯并进一步表征它们的结构。

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。

环型碳C10和C14的表面合成策略与化学结构表征

通讯作者介绍

许维，课题组负责人，同济大学长聘特聘教授，材料科学与工程学院院长。2008年在丹麦奥胡斯大学物理系获博士学位，随后在美国宾夕法尼亚州立大学物理系从事博士后研究。2009年受聘为同济大学教授到材料科学与工程学院工作，2012年受聘上海特聘专家，2016年获基金委优青，2021年获国家杰青，2022年获教育部自然科学二等奖。其领导的团队主要利用超高真空扫描探针显微镜（UHV-STM/AFM）结合密度泛函理论（DFT）计算开展表面物理化学前沿基础研究。在表面分子组装、表面分子反应、表面精准合成等方向进行了系统和深入的探索，取得了多项创新性成果。已在本领域知名权威杂志上发表学术论文100余篇，包括Nature,Nat.Chem., J. Am. Chem. Soc.,Angew. Chem. Int. Ed.,ACS Nano30余篇，论文共计被引用>3400次。